5-4 柔性能源器件在线视频

下面我介绍一下柔性能源器件

柔性器件正常工作必须有与之

相适应的柔性能源器件

能源器件除了常见的电池以外

能量收集器也成为可能的

能量来源

下面主要从柔性薄膜太阳能电池

可延展锂电池和柔性能量收集器件

三个方面

简要介绍柔性能源器件的

主要特点以及发展趋势

首先我们简单介绍

柔性薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池是在聚合物薄膜

或金属箔衬底上制备出的

薄膜光伏电池

根据光伏材料的不同

可分为无机薄膜太阳能电池

和有机薄膜太阳能电池两类

无机薄膜太阳能电池包括硅薄膜电池

和化合物薄膜电池

硅薄膜电池是制备在聚合物衬底

或在薄玻璃上

以单晶硅、多晶硅或非晶硅作为

光伏转换材料的光伏电池结构

单晶或多晶硅型硅薄膜电池

转换效率高

通常需要先在硅片表面组装

多层电池结构

然后剥离转印至柔性的衬底上

非晶硅薄膜电池可直接在低温条件下

在柔性衬底上生长

厚度很薄

可发生弯曲变形

并且保持性能稳定

稳态效率最高

可达13.5%

常见无机化合物薄膜电池材料

主要有铜铟镓硒

铜锌锡硫

三五族化合物等

铜铟镓硒化合物薄膜电池

具有效率高

稳定性好的特点

以不锈钢为衬底的铜铟镓硒薄膜

太阳能电池转化效率最高

可达17.5%

略高于薄膜硅电池

由于化合物薄膜电池需要

在500摄氏度下退火

通常选用金属箔作为柔性衬底

其制造过程适用卷对卷制备工艺

相较于铜铟镓硒电池

铜锌锡硫化合物

薄膜电池

避免使用稀有金属

原料简单易得

工艺流程相似

是薄膜化合物电池的良好选择

但效率较低

仅12.6%

三五族化合物

薄膜电池具有耐高温

抗辐射等特点

经过大量的聚光结构和叠层研究

并结合结构设计 转化效率可以

提高到29.3%

由于三五族化合物需要在

无机基底上外延生长

薄膜电池制备需要一个

外延剥离过程

三五族化合物电池它的材料昂贵

目前的应用主要局限于航天等领域

有机薄膜太阳能电池

主要包括染料敏化电池和钙钛矿电池

两类

染料敏化电池通过将染料沉积于

透明的导电薄膜制备而得到

转化效率最高可达13%

但原材料及制造成本高

长期稳定性差 难以广泛应用

钙钛矿电池目前能量的转化效率

最高可达22.7%

是众多薄膜太阳能电池中

转化效率提升最快的

但光伏材料成本较高

稳定性较差

对封装材料要求较高

总结起来

硅薄膜电池及铜铟镓硒电池

已经实现商用

且铜铟镓硒电池的

转化效率较高

铜锌锡硫电池虽转化效率不如前者

但具备较大的提升空间

三五族化合物电池成本高昂

局限于航天航空等

特定领域的应用

有机薄膜太阳能电池具备很好的前景

可延展锂电池

利用柔性导电电极

及可延展结构设计

使传统锂离子电池具备

可延展的特性

按可延展结构及延展的原理不同

主要有弹簧/缆绳状

折纸/剪纸状

网络状

岛桥状和波纹状

可延展锂电池

弹簧缆绳状

可延展锂电池

通过类似于弹簧的外形设计使

整体具备延展性

此类锂电池可任意的弯曲

且保持性能稳定

通过弹簧状负极及

全电池的分布组装

实现可延展锂电池的组装

这种类型的锂电池在拉伸至600%时

性能仍能保持在88%

经过多个应力的循环性能仍能

保持稳定

折纸剪纸状

可延展锂电池

利用剪纸

折纸的结构设计

实现锂电池的空间展开

可承受极大的机械应变

有效的提高了电池的面容量

同时这种设计使得电池在

发生变形时仍能保持性能稳定

经过多个应力循环性能没有明显

的下降

网络状可延展锂电池

依靠在可延展的电极结构中填充

电解质

来实现电池整体的可延展

电极结构主要包括网状

海绵状

织物状

此类型的可延展锂电池在变形

过程中同样保持性能的稳定

波纹状可延展锂电池通过在波纹状

柔性衬底上制备层状电池结构

实现可延展特性

在变形过程中能量可稳定输出

岛桥状可延展锂电池

利用岛桥状结构设计

实现多个电池单元之间的互联

并保持了电池整体的可延展性

最大机械应变可达300%

与太阳能电池一样

能量收集也是一种绿色环保

可持续的供能方式

而且不受太阳光照射的限制

可以在多种场景下实现器件的

自供能

从物理规律上来讲

声

光

力

磁

热等现象都可以产生电能

在生物体中广泛存在各种生物

机械能和热能

这里我们主要介绍这两类柔性

能量收集技术

柔性能量收集的基本原理有以下

三种

第一种是压电效应

即通过压电材料将机械变形能

转化为电能

这种变形能既可以来自于机械力

也可以是由风或者声音的振动

引起的其它机械变形

第二种是摩擦电效应

即摩擦使得两极板带相反电荷而

形成电势

这类器件利用摩擦起电和

静电感应效应的耦合

同时配合薄层式电极的设计

实现电流的有效输出

第三种是热电效应

又叫塞贝克效应

是指由于两种不同电导体或

半导体的温度差异

而引起两种物质间的电压差的

热电现象

接下来我们分别介绍基于这几种

基本原理的柔性能量收集技术

首先是基于压电效应的机械能

收集技术

它的核心器件是柔性压电换能器

大多是由压电纳米线阵列

和叉指电极组成

可选用的压电材料

主要是有有机的PVDF和

无机的PZT陶瓷

钛酸钡

氧化锌等材料

将柔性压电换能器与人体

运动部位和器官组织集成

可以连续方便的进行生物机械能

的收集

利用当前的技术获得的电能

可以供小型电子器件正常工作

比如已有研究将基于PZT压电

纳米条带的柔性换能器与

心脏集成利用

心脏的跳动产生的机械能成功的

点亮LED

原理性实现直接给植入式的器件

供能

基于摩擦电效应的能量收集技术

核心器件是摩擦发电机

它主要有两种工作模式

分别是接触模式和滑动模式

与压电换能器相比

摩擦发电机可选的材料范围更广

包括PTFE PET PI PDMS

PMMA 石墨烯等有机材料

以及ITO 铝 铜 金 钛

硅等无机材料

摩擦发电机的发电效率

主要取决于功能材料对电子

吸引能力的差

以及接触界面的形貌

比如可以通过接触界面上设计像

金字塔一样的微结构

增加接触面积

从而增加输出的能量值

基于热电效应的可穿戴式

热电发电机

主要利用人体皮肤和环境之间的

温度差进行发电

与其它两种能量收集技术相比

由于温度差不是很大

柔性热电发电机的能量密度

相对较低

但它的优势在于连续稳定供能

因此也被广泛的研究

热电发电机中功能材料

包括铋 碲 锑 硒等

无机材料的化合物

以及导电高分子

碳纳米管和过渡金属硫化物等材料

相对而言

基于有机半导体材料的

热电发电机

具有轻质

本征柔性

容易加工

成本便宜等优势

但能量效率较低

基于导电高分子的热电发电机

因其具有较宽的能量效率调控范围

而备受关注