[发明专利]一种太阳能电池与超级电容器的集成器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微型能量转化与储存器件技术领域，具体涉及一种全固态的同轴结构纤维状染料敏化太阳能电池与超级电容器的集成器件及其制备方法。

背景技术

便携式电子器件在如今的生活中变得越来越重要，并将成为未来生活的主导。^1-4但是，传统的平面结构的能量转化或储能器件无法有效满足便携式器件对于轻质、可变形等方面的要求。于是，近来很多研究工作致力于发展线状太阳能电池或储能器件。^5-9在线状太阳能电池方面，染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池都有报道。聚合物太阳能电池中不含液体成分，具有较高的稳定性，但是其能量转化效率很低。相反，线状染料敏化太阳能电池具有较高的能量转化效率，但是由于液态电解质的使用很大程度上降低了其热稳定性和机械操作中的稳定性。因此，制备既具有较高的能量转化效率又具有良好的稳定性的线状太阳能电池变得尤为重要。发展出不含液体组分的染料敏化太阳能电池是解决这个问题的有效方法之一，而这方面工作还未见报道。对于线状储能器件，目前的工作主要集中于线状超级电容器。^10-14这些线状的能量转化和储能器件主要通过将两根纤维状电极缠绕在一起或将膜状电极卷在另外一个纤维状电极上制备，通常具有几十到几百微米的直径，质量较轻。这些线状器件具有柔性，可以根据实际需求编织到很多纺织物中或其他可变形的结构中。

将太阳能电池和超级电容器集成到一根纤维中可以有效增强器件的应用性。^15-19因此所得的柔性结构，如电子布，可以同时实现光电能量转换和能量储存以便实现自供能。近来有研究者通过将两根纤维状电极缠绕在一起实现了染料敏化太阳能电池和超级电容器的集成。²⁰但是，该结构在弯曲过程中两根电极容易脱离，而且，该染料敏化太阳能电池中的液态电解液容易渗透到超级电容器中，严重影响到器件整体的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全固态的同轴结构纤维状染料敏化太阳能电池与超级电容器的集成器件及其制备方法。

本发明提供的全固态的同轴结构纤维状染料敏化太阳能电池与超级电容器集成器件，采用阳极氧化表面长有有序二氧化钛（TiO₂）纳米管的钛丝和有序排列的碳纳米管（CNTs）膜作为太阳能电池和超级电容器的两极，两极间夹塑晶体固态电解质或高分子凝胶状电解质分别作为染料敏化太阳能电池和超级电容器的固态电解质。

本发明中，所述塑晶体固态电解质可以采用1g塑晶体1-ethyl-3-methylimidazolium iodide (EMII)、0.35g离子液体1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMII) 与0.03 g碘的混合物；所述高分子凝胶状电解质可以是聚乙烯醇（PVA）/磷酸（H₃PO₄）。 

本发明的纤维状集成器件中，阳极氧化的钛丝为太阳能电池和电容器的共用电极。共用电极的使用大大减小了从能量转化器件到储能器件的电阻，从而减小了能量转化与储存过程中的能量损耗。

本发明的纤维状集成器件中，两极及两极间的电解质，三者为同轴关系。

本发明提供的这种新颖的全固态同轴结构集成器件中，染料敏化太阳能电池最大能量转化效率可达2.73%，超级电容器能量储存效率可达75.7%，线比容0.156mF/cm（面积比容3.32mF/cm²），在50 μA电流下，线功率密度为0.013mW/cm（面功率密度0.27mW/cm²）。这种全固态同轴结构集成器件具有良好的柔性和可编织性，比较容易实现高效率、低成本的大规模生产。

本发明提供的全固态同轴结构纤维状集成器件的制备方法，其具体步骤为：

（1）首先，将钛丝进行阳极氧化，使其表面生成高度有序的二氧化钛纳米管，并进行退火处理，然后浸泡，再退火处理；然后将中间一小段的二氧化钛纳米管除掉裸露出钛丝作为电极；

（2）经上述步骤处理的钛丝，先将其一半在其内部及表面均匀包覆一层聚乙烯醇（PVA）/磷酸（H₃PO₄）凝胶状电解质；这里“/”是“和”的意思；

在凝胶状电解质外面包裹碳纳米管膜；  

在碳纳米管膜外再包覆一层聚乙烯醇（PVA）/磷酸（H₃PO₄）凝胶状电解质，即得到一种纤维状超级电容器；