基于染料敏化光伏及超级电容器构筑高效柔性纤维纳米能源复合器件

Integrated fiber photovoltaic and energy storage devices face some key problems including poor photoelectric conversion and storage efficiency, bad flexibility. In this project, materials and integration techniques will be studied so as to obtain high efficient and flexible fiber-shaped complex nanoenergy devices based on fiber DSSCs and fiber supercapacitors. Proper fiber materials are selected as substrates and photoanodes of the solar cells and electrodes of the supercapacitors will be fabricated by compounding various micro/nanostructures of a semiconductor material like titania or several materials. Photoelectric parameters will be optimized through tuning composite structures, so that flexibility, stability and the overall photoelectric conversion and storage efficiency of the integrated device will be increased accordingly. We will clarify the influences of the properties and micro/nano-structures of fiber substrates and electrodes, structures of DSSCs and supercapacitors, integration technique on the performance of the integrated devices. Therefore, the optimized fabriciation parameters can be obtained and power and impedance of both DSSCs and supercapacitors can be matched. It aims to improve the efficiency, flexibility, integration density and packaging characteristics of integrated devices. This project will provide a basis for constructing multi-scale self-powered fiber device modules based on solar energy.

针对纤维光伏及储能器件的光电转换及储能效率低、柔性差等问题，拟开展材料结构和集成技术与器件性能关系的研究，旨在设计和优化基于纤维染料敏化光伏器件单元和纤维超级电容器单元的高效柔性复合纳米能源器件。选取合适的纤维材料为基底，采用一种如二氧化钛或多种材料的不同微纳结构、形貌的相互复合制备高效光阳极和超级电容器电极，调控材料结构和制备条件优化光电参数，提高各单元的光电转换或储能效率、柔性和稳定性；探索基底材料、电极材料的性质和微纳结构，单元个体结构和集成体的结构设计等因素对一体化器件性能的影响，合理优化出各种制备参数，实现两单元的阻抗、功率等参数匹配，提高器件效率、柔性、集成密度及封装特性。为进一步突破构筑多尺度的自驱动太阳能纤维能源系统模块的研究奠定基础。

作为具有完全可持续发展特征的太阳能光伏发电产业将成为未来基础能源的重要组成部分。伴随效率的逐步提高和基于不同材料体系的电池的出现, 区别于传统的平板结构无机材料太阳能电池,柔性纤维染料敏化太阳能电池因其独特的形态赋予了高度可柔性化及构筑出精致的可穿戴电子器件方面无与伦比的优势，在发展便携式电子产品等方面具备突出特性备受关注。由于太阳能电池产生的电能大小依赖周围环境条件，不能实现稳定输出。与超级电容器这一储能设备的集成，解决了这一问题，可是实现稳定地供电。纤维能源电子学涉及能源的纤维形态的电子器件，包括了纤维能源转化器件和纤维能源存储器件。纤维太阳能电池和纤维超级电容器分别是纤维能源转化和存储器件的一种。.针对纤维染料敏化光伏及储能器件的光电转换及储能效率低、柔性差等问题，开展了光伏与储能一体化器件的材料性能和集成技术的研究，设计和优化了基于纤维染料敏化光伏器件和纤维超级电容器的高效一体化能源器件。针对纤维太阳能电池，利用水热法制备了高质量的二氧化钛纳米颗粒，利用电化学氧化法分别制备了尺寸可控的二氧化钛纳米柱阵列和纳米锥阵列。利用原子层沉积技术对二氧化钛层进行修饰，从而减少电子复合，提高了26%的光电转换效率，15 nm的原子层沉积膜达到了7.41%的最优光电转换效率，纳米锥阵列光阳极太阳能电池的效率达到了8%以上。纤维超级电容器采用价格低廉的碳纤维为基底，利用水热法制备了氧化钌纳米颗粒。以二氧化钌-碳纤维束为复合电极，使用磷酸和聚乙烯醇配制固态电解质，同时作为电极间隔层，组装可弯曲的固态超级电容器，其长度比电容达到约4.58 m F/cm。该纤维固态超级电容器可以进行串联组装使用，并且在柔性电子器件中具有一定的应用潜力。将纤维太阳能电池与纤维超级电容器集成，实现了自充电的纤维能量系统。为进一步突破构筑多尺度的自驱动太阳能纤维能源系统模块的研究奠定了扎实的基础。