可穿戴光充自供电系统的设计与开发
发布时间：2021-08-20 18:21
可穿戴光充自供电系统是一门结合多方向多领域的前沿科学研究体系。它结合了能源转化技术、能源储存技术、可穿戴柔性电子学和生物智能传感等新兴技术,在人机互动、VR眼镜、智能显示、生命体征监测等方向具有十分广泛的应用前景。但是目前的发展瓶颈主要是整体能量转化效率低、能量转化系统和能量存储系统之间兼容性差以及可穿戴场景下耐用性有限等问题。基于这些问题,本文从两个方面来合理设计可穿戴的光充自供电系统。（1）高光电转化效率的太阳能电池系统选择以及高储能效率的储能系统构建,通过两个高效系统的相互协同作用达到更高的整体能量转换效率;（2）利用多种柔性电子器件的制备技术（打印技术、柔性封装技术和激光切割技术）,赋予储能器件与太阳能电池良好的兼容性,实现可穿戴光充自供电系统面向轻质化、便携化和微型化的方向发展。本文的主要研究内容如下:（1）利用钛酸锂作为负极,商业活性炭作为正极,组装了锂离子混合电容器。在此基础上,进一步采用软包电池技术,制备了柔性的锂离子混合电容器,实现了最高60 Whkg-1的能量密度。把该柔性锂离子混合电容器作为储能系统与柔性的钙钛矿太阳能电池集成,实现了一体化可穿戴光充自供电系统的构...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１自供电系统的各部分构效关系图
第一章绪论?可穿戴光充自供电系统的设计与开发??行电能的输出。??ａ?ｂ??．?Ｌｉｇｈｔ??？Ｔ?＾ｏｌｅ?Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ?Ｐｏｌｙｍｅｒ?｜??遍?ｕ??０；Ｅｔｅｃｔｆ〇ｎ??图１－３模块化的硅－锂离子电池自供电单元。??例如，Ｈａｎ－ＤｏｎＵｍ等人设计的单片模块化的自供电单元，由串联的硅太阳能电??池作为光伏系统，全固态的锂离子电池作为储能部分，硅电池和锂离子电池之间用一??层铝电极作为公共的集流体，光照时，光生电子注入钛酸锂负极，空穴通过外电路导??入钴酸锂正极，对锂离子电池进行充电。当没有光照时，锂离子电池对用电器进行供??电，达到储存太阳能，自供电的作用６。??由于，太阳能电池与储能系统之间通过导线连接，外电路中由于欧姆线损会损失??部分能量，但是相比于一体化的结构，由于没有多相的界面接触以及极大的光生载流??子复合情况导致分立式结构实际的整体能量转化效率比较高。然而，由于外部的欧姆??连接，一方面一定程度上加剧了整个系统的复杂性，使得器件结构笨重，冗杂。另一??方面开关的切换也给实际操作中带来难度。??（２）?—体化结构??与分立式结构对应的即为一体化结构。一体化结构舍弃了光电转化系统与储能系??统的机械连接。光电系统与储能系统体系高度的集成性，整个系统高度一体化。最常??见的即为在储能系统中引入一个具有光响应的半导体光电极。光照时，光电极可以吸??收太阳光产生光生电子和空穴，光生电子和光生空穴强的还原性和氧化性可以部分或??者完全还原和氧化储能系统中的氧化还原活性组分，从而来达到存储太阳能的目的７－??９。图ｌ－２ｂ是第一种一体化光充自供电系统结构，主要包括三个电极分别为：
＇?ｅ＇?ａ?１?充电电压?？?ａ＇?ｃ￣?ｍ??ｇ?＾?５???￥￥—ｆ—负极活性组分ｇ?导带?ｇ?再带ｐ▲负极活性组分??Ｐ?……—丨——Ｐ…?＿?薄????Ｉ?＾?＊?ｔ?＾?ｅ?＾?ｔ?ｋ?ｓ?ｉ?＾??１?Ｈ半导体?＃?Ｉ?半导体?Ｋ?Ｉ?半男体?Ａ?Ｉ?＇＇半男体?多??一／＊■＊＊－＊?＇?ｐ?ｏ??ｉ?■?：１與＃正极活議■?ｉ－＃；正＿组分?Ｉ?；；±＾Ｖ；；；－＇ｌ－ｕ＾??￣正极活性组分?正极活性组分??图１－４半导体光电极与正负极活性组分的能级关系图。??图１－４总结了半导体光电极和正负极活性组分的能级关系图。ａ图展示了半导体??材料的导带价带与储能系统的正负极氧化还原电势之间的关系图。由图可知，正极材??料的氧化还原电势比半导体光电极的价带位置更正，意味着半导体的光生空穴无法将??正极材料氧化，同理，负极材料的氧化还原电势比半导体光电极的导带更负，因此光??生电子无法将负极材料还原。ｂ图展示了与ａ图完全相反的情况，此时，光生的电子??和空穴都能够将正负极的活性物质进行氧化和还原，达到了直接光充光化学电池的Ｈ??的，充电过程只需要光就可以完成。ｃ图中，半导体的价带位置比正极活性组分的軾??化还原电势更正，空穴可以将正极氧化，相反，导带位置比负极活性物种的氣化还原??电势更正，无法将负极还原，因此充电过程仅仅靠光是无法完成的，志要额外的电能，??５??
本文编号：3353999
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１自供电系统的各部分构效关系图
第一章绪论?可穿戴光充自供电系统的设计与开发??行电能的输出。??ａ?ｂ??．?Ｌｉｇｈｔ??？Ｔ?＾ｏｌｅ?Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ?Ｐｏｌｙｍｅｒ?｜??遍?ｕ??０；Ｅｔｅｃｔｆ〇ｎ??图１－３模块化的硅－锂离子电池自供电单元。??例如，Ｈａｎ－ＤｏｎＵｍ等人设计的单片模块化的自供电单元，由串联的硅太阳能电??池作为光伏系统，全固态的锂离子电池作为储能部分，硅电池和锂离子电池之间用一??层铝电极作为公共的集流体，光照时，光生电子注入钛酸锂负极，空穴通过外电路导??入钴酸锂正极，对锂离子电池进行充电。当没有光照时，锂离子电池对用电器进行供??电，达到储存太阳能，自供电的作用６。??由于，太阳能电池与储能系统之间通过导线连接，外电路中由于欧姆线损会损失??部分能量，但是相比于一体化的结构，由于没有多相的界面接触以及极大的光生载流??子复合情况导致分立式结构实际的整体能量转化效率比较高。然而，由于外部的欧姆??连接，一方面一定程度上加剧了整个系统的复杂性，使得器件结构笨重，冗杂。另一??方面开关的切换也给实际操作中带来难度。??（２）?—体化结构??与分立式结构对应的即为一体化结构。一体化结构舍弃了光电转化系统与储能系??统的机械连接。光电系统与储能系统体系高度的集成性，整个系统高度一体化。最常??见的即为在储能系统中引入一个具有光响应的半导体光电极。光照时，光电极可以吸??收太阳光产生光生电子和空穴，光生电子和光生空穴强的还原性和氧化性可以部分或??者完全还原和氧化储能系统中的氧化还原活性组分，从而来达到存储太阳能的目的７－??９。图ｌ－２ｂ是第一种一体化光充自供电系统结构，主要包括三个电极分别为：
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