[发明专利]全固态纤维状同轴聚合物太阳电池和超级电容器集成器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于集成器件技术领域，具体涉及聚合物太阳能电池和超级电容器的集成器件。

背景技术

自从1991年日本Iijima首次发现碳纳米管（Carbon Nanotube ，CNTs）以来，碳纳米管以其独特的力学、电学、热学等性能受到人们广泛的重视，具有良好的发展前景，必将成为新一代热门材料。

碳纳米管是可以根据石墨片层的数目分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。独特的碳纳米管结构赋予了其优异的力学、电学性能, 如杨氏模量高达1000 吉帕(约为钢的5倍),拉伸强度高达63 吉帕(约为钢的50 倍). 由于碳纳米管较低的密度(约为钢的1/6)、较高的强度、较高的电导率以及其他优异的物理性能, 碳纳米管被认为在结构材料、电子器件、场发射、生物医药和电化学等广泛领域有着巨大的应用前景。同时，碳纳米管被广泛应用于聚合物太阳能电池和超级电容器等领域。

随着现代电子事业的发展需要，柔性太阳能电池和储能器件变得越来越重要。如采用柔性基底的聚合物太阳能电池和染料敏化太阳能电池等[1-4]，电化学电容器制作在柔性基底上形成可以随身携带的便携式设备[5-9]。同时也有一些研究中集成器件能够同时实现能量转换和储存[10-14]，然而这些集成器件不具有柔性，不能满足轻质、小巧和可编制的发展要求。

未来的发展要求是微型器件能够同时实现光电转换和能量储存，目前已有文献报道纤维状的染料敏化太阳能电池和超级电容器集成器件[15]。但是采用液态电解质所面临的最大挑战就是它们不具备柔性，不能够被编织在衣物中，同时在弯曲或其他变形中电解液容易泄露[16-18]。为了解决上述问题，固态聚合物太阳能电池在未来的发展中会具有非常好的前景[19,20]。在不久的将来，将能量存储器件集成到纤维状聚合物太阳能电池上具有非常重要的意义，目前还没有文献报道。目前，我发明了一种全固态同轴纤维状集成器件能够有效的将能量转换和能量存储集成于一身。同轴结构对于能量转换和能量储存都有好处。对于能量转换部分，在径向方向上相似于平面状太阳能电池。对于能量存储部分。在储能部分，大大的降低了接触电阻，同轴结构具有高的接触面积，有利于电子的快速传递。同时采用多壁碳纳米管薄膜作为电极大大的改善了光电转换和能量存储，具有广阔的发展前景[21]。多壁碳纳米管薄膜是通过将化学气相沉积法合成的多壁可纺碳纳米管阵列进行干法纺丝得到的[22-24]。聚合物太阳能电池的机理是当太阳能电池吸收光照后，聚合物层异质结产生激子，激子分离为电子和空穴，电子通过二氧化钛纳米管传递到钛丝，空穴通过空穴传输层被多壁碳纳米管薄膜吸收[25,26]。在未来，集成器件在光电子织物技术领域具有广阔的发展前景[27-29]。阳极氧化钛丝的电解液是重量分数分别为0.3%的氟化铵和8%的水的乙二醇溶液[30]。PVA/H₃PO₄溶液是将10克PVA和10克磷酸加入到100克水中得到的[31]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高、成本低的光电转换和能量储存为一体的全固态纤维状同轴集成器件。

本发明提供的全固态纤维状同轴集成器件，以多壁取向碳纳米管薄膜同轴缠绕的二氧化钛管作为对电极，其一端制作了聚合物太阳能电池，另一端制作了超级电容器，构成集成器件。

本发明还提出了全固态同轴纤维状聚合物太阳能电池和超级电容器集成器件的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备对电极，在多壁可纺碳纳米管阵列上拉出多壁取向碳纳米管薄膜；

（2）制备工作电极，将清洗后的钛丝阳极氧化，在表面得到二氧化钛管，二氧化钛管的内径约为90-100纳米，外径约为140-150纳米；一端制作聚合物太阳能电池，一端制作超级电容器；

（3）最后，将多壁取向碳纳米管薄膜均匀的缠绕在工作电极上作为对电极，得到完整的全固态纤维状集成器件。

下面是制备集成器件的具体操作步骤：