混合能量转换设备制造技术

描述了一种压电-光伏混合结构，该压电-光伏混合结构具有包括光伏层和压电衬底的多个叠置层。还描述了一种形成这种结构的方法，该方法包括以下步骤：提供压电衬底，以及在所述衬底上叠置光伏层。描述了一种功率转换系统，该功率转换系统包括这样的混合结构，该混合结构具有连接到压电衬底的第一电路和连接到光伏层的第二电路。还讨论了一种产生、存储、分配或消耗电能的方法，该方法涉及与分配电路或网络、电力负载或能量存储设备相连的这样的系统的使用。描述了另一种功率转换系统，其中，压电电路和光伏电路连接到单个直流-直流转换器或相应的直流-直流转换器。一组这样的功率转换系统可以在它们的输出端子处串联连接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及混合压电和光伏材料及结构，并且涉及针对这种材料及结构的功率转换系统和电路。
技术介绍
柔性光伏材料和压电材料的可用性，加之从可再生源高效率地获取能量的压力不断增加，使得同时和/或在同一位置处利用压电技术和光伏技术成为了越来越有吸引力的可能性。包括这两种技术的混合结构可以被部署成从太阳能和机械能(例如，雨、风、波浪或潮汐)收集(harvest)能量。柔性压电聚合物可被用于收集机械能，并且同时可用作有机光伏电池的衬底材料。WO 2009/070706描述了使用柔性有机太阳能电池为人造草皮产生太阳能。这种系统的使用会受制于太阳光对于一天的一定时期的可用性。上述专利中所说明的结构无法使用机械能。US 7，705，523B2描述了一种混合设备，该混合设备使用染料敏化太阳能电池和氧化锌(ZnO)压电纳米棒来将太阳能和机械能转换为电能。该混合结构仅能够以纤维的形式进行开发，而不能以薄膜或薄片的形式进行开发。在某些应用中，薄膜或薄片可能是有利的，例如，在来自水或风的机械能被转化为电能的情况下获取能量。US 7，705，523B2中所描述的混合结构不能够被修改成适应其他种类的更便宜的太阳能电池，例如有机太阳能电池或非晶硅太阳能电池。这种结构也是非常复杂的，以包括具有辐射状纳米棒的小管的分层结构为特色。对于能够使制造方法更简单并且允许在不同尺度下和以不同的结构形式(例如，以薄膜或薄片以及纤维的形式)来使用这种混合压电-光伏技术而言，期望有一种简化的结构。因此，本专利技术实施例的一个目的是提供一种存储、消耗和/或产生从太阳能和机械来源中所提取(scavenged)的电能的改进方法。本专利技术实施例的另一个目的是提供一种用于使用这样的方法收集太阳能和机械能的改进型发电系统。本专利技术实施例的又一个目的是提供一种用于这样的系统中的具有压电特性和光伏特性的混合结构。本专利技术实施例的再一个目的是提供一种用于制造这样的结构的方法。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种压电-光伏结构，该压电-光伏结构用于将太阳能和机械能转换成电能，具有包括光伏层和压电衬底的多个叠置层(superposedlayers)。这样的混合结构可以起到通过单个多源能量捕获系统从多个可再生源收集能量的作用。这可能导致能量捕获系统，这些能量捕获系统更高效地收集能量，或者相比可比较的单源能量捕获系统而言，是更划算、更健壮、更轻或者更可配置的。有利地，压电衬底直接地置于上电极和下电极之间。优选地，光伏层置于外部阳极层和内部阴极层之间。绝缘层可将压电衬底及上电极和下电极与光伏层、阴极和阳极分离。有利地，光伏层进一步包括透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物的外部子层和电子供体与电子受体(供体-受体)聚合物的内部子层。电子阻挡器聚合物层可包括聚(3，4-乙撑二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT: PSS )，或者可包括聚-四氟乙烯(PTFE)。电子供体-受体聚合物层可包括聚(3-己基噻吩)和[6，6]-苯基461-丁酸甲酯(P3HT+PCBM)，或者可包括聚(对苯撑乙烯)和聚(2-甲氧基_5_丙氧基-磺酸酯-1，4-苯撑乙烯)(PPV+MPS-PPV)，或者可包括聚[2-甲氧基-5- (2'-乙基-己氧基)-1,4-苯撑乙烯]和[6，6]-苯基461-丁酸甲酯(1^!1^^￥+ 0810，或者可包括聚[2-甲氧基-5- (3' ,V - 二甲基辛氧基)]-1，4_苯撑乙烯和[6，6]_苯基-C61-丁酸甲酯(MDM0-PPV+PCBM)，或者可包括聚(对苯撑乙烯)和富勒烯(PPV+C60)，或者可包括聚(3-辛基噻吩)和[6，6]-苯基461-丁酸甲酯(？3(^+ 0810，或者可为[6，6]-苯基461-丁酸甲酯和聚[2,6- (4，4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊并[2，l-b;3,4-b/ ) 二噻吩)-交替-4，7- (2，1,3-苯并噻二唑)]( 081 307^1')，或者可包括聚(^十二烷基-2，5-双(2'-噻吩基)吡咯_(2，1,3-苯并噻二唑)]和[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PTPTB+PCBM)。电子供体-受体聚合物层可包含散布的碳纳米管。阳极层和阴极层优选地是金属的，阳极层具有比阴极层更高的逸出功。有利地，阳极层的材料分布成仅部分地覆盖光伏层。优选地，阳极层的材料以晶格或梳状结构的形式稀疏地分布在光伏层上。有利地，阳极层可以是铜。优选地，阴极层可以是铝。在本专利技术的一优选实施例中，该结构可包括具有与所述层同中心叠置的细长的大体上圆柱形体。大体上圆柱形体可以是纤维。该结构可包括多个所述纤维，所述纤维被编织、编结或布置成织物或绳索的形式。在另一优选实施例中，该结构可包括平面体，该平面体具有与其大体上平行叠置的所述层。平面体可以是薄片或薄膜。优选地，上电极和下电极是金属的。便利地，上电极和下电极可以是铝。有利地，阴极层与光伏层可以是通过氟化锂的插入层来分离的。压电衬底可包括聚 合物。优选地，压电衬底包括聚(偏氟乙烯)(PVDF)或者聚丙烯或者尼龙。压电衬底可包括散布的压电陶瓷粒子。光伏层可包括染料敏化光伏电池。根据本专利技术的第二方面，提供了一种形成压电-光伏结构的方法，该方法包括以下步骤:提供压电衬底，以及在该衬底上叠置光伏层。有利地，该方法可包括以下步骤:在叠置光伏层之前，在压电衬底上沉积上电极和下电极。该方法可包括以下步骤:在叠置光伏层之前，在衬底上叠置绝缘层。优选地，叠置光伏层包括以下步骤:镀阴极层，在阴极层上镀包括电子供体聚合物和电子受体聚合物的层，在电子供体-受体聚合物层上沉积透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物层，以及在透明电子阻挡器聚合物层上沉积阳极层。有利地，该方法可包括以下步骤:在所述阴极层上沉积所述电子供体-受体聚合物层之前，在所述阴极层上沉积氟化锂层。 优选地，上电极和下电极是金属的，并且是通过热蒸发来沉积在压电衬底上的。有利地，阴极层是金属的，并且是通过热蒸发进行沉积的。便利地，阳极层是金属的，并且是通过热蒸发来沉积在透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物层上的。优选地，提供压电衬底的步骤可包括通过挤压工艺形成所述衬底。压电衬底可以由包括聚合物颗粒的原料(feed)挤压而成。压电衬底可以由原料挤压而成，该原料包括复合颗粒，这些复合颗粒包含聚合物基体中的散布的压电陶瓷粒子。有利地，电子供体-受体聚合物层可以是通过使用旋转涂覆或浸溃涂覆方法沉积聚合物溶液的涂层来形成的。或者，电子供体-受体聚合物层可通过使用铸造、丝网印刷、刮片(doctor blading)或喷墨印刷方法沉积聚合物溶液的涂层而形成。用于形成电子供体-受体聚合物层的聚合物溶液可包括:聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6，6]-苯基461-丁酸甲酯(？0810的混合物，或聚(对苯撑乙烯)(PPV)和聚(2-甲氧基-5-丙氧基-磺酸酯-1，4-苯撑乙烯)(MPS-PPV)的混合物，或聚[2-甲氧基-5- (2'-乙基-己氧基)-1,4-苯撑乙烯](MEH-PPV)和PCBM的混合物，或聚[2-甲氧基-5- (3' ,7' - 二甲基辛氧基)]_1，4-苯撑乙烯(MDMO-PPV)和PCBM的混合物，或PPV和富勒烯(C60)的混合物，或聚(3-辛基噻吩)(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.27 GB 1016193.31.一种压电-光伏结构，其用于将太阳能和机械能转换成电能，所述结构具有包括光伏层和压电衬底的多个叠置层。2.根据权利要求1所述的压电-光伏结构，其中，所述压电衬底置于上电极和下电极之间。3.根据前述权利要求中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述光伏层置于外部阳极层和内部阴极层之间。4.根据权利要求3所述的压电-光伏结构，其中，所述阳极层和所述阴极层是金属的，所述阳极层具有比所述阴极层更高的逸出功。5.根据权利要求3或4所述的压电-光伏结构，其中，所述阳极层的材料分布成仅部分地覆盖所述光伏层。6.根据权利要求3至5中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述阳极层的材料以晶格或梳状结构的形式分布在所述光伏层上。7.根据权利要求3至6中任一项所述的压电-光伏结构，其中，绝缘层将所述压电衬底及所述上电极和所述下电极与所述光伏层、阴极和阳极分离。8.根据权利要求3至7中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述阴极层与所述光伏层是通过氟化锂的插入层来分离的。9.根据前述权利要求中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述光伏层包括透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物的外部子层和电子供体与电子受体(供体-受体)聚合物的内部子层。10.根据权利要求9所述的压电-光伏结构，其中，所述电子供体-受体聚合物层包括散布的碳纳米管。11.根据前述权利要求中任一项所述的压电-光伏结构，包括具有与所述层同中心叠置的细长的大体上圆柱形体。12.根据权利要求10所述的压电-光伏结构，其中，所述大体上圆柱形体是纤维。13.根据权利要求11所述的压电-光伏结构，包括多个所述纤维，所述纤维被编织、编结或布置成织物或绳索的形式。14.根据前述权利要求中任 一项所述的压电-光伏结构，包括平面体，所述平面体具有与其大体上平行叠置的所述层。15.根据权利要求13所述的压电-光伏结构，其中，所述平面体是薄片或薄膜。16.根据前述权利要求中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述压电衬底包括聚合物。17.根据权利要求16所述的压电-光伏结构，其中，所述压电衬底包括散布的压电陶瓷粒子。18.根据前述权利要求中任一项所述的压电-光伏结构，其中，所述光伏层包括染料敏化光伏电池。19.一种形成压电-光伏结构的方法，所述方法包括以下步骤:提供压电衬底，以及在所述衬底上叠置光伏层。20.根据权利要求19所述的形成压电-光伏结构的方法，包括以下步骤:在叠置所述光伏层之前，在所述压电衬底上沉积上电极和下电极。21.根据权利要求20所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述上电极和所述下电极是金属的，并且通过热蒸发被沉积在所述压电衬底上。22.根据权利要求19至21中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，包括以下步骤:在叠置所述光伏层之前，在所述衬底上叠置绝缘层。23.根据权利要求19至22中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，叠置所述光伏层包括以下步骤:镀阴极层，在所述阴极层上镀包括电子供体聚合物和电子受体聚合物的层，在所述电子供体-受体聚合物层上沉积透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物层，以及在所述透明电子阻挡器聚合物层上沉积阳极层。24.根据权利要求23所述的形成压电-光伏结构的方法，包括以下步骤:在所述阴极层上沉积所述电子供体-受体聚合物层之前，在所述阴极层上沉积氟化锂层。25.根据权利要求23或24所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述阴极层是金属的，并且是通过热蒸发来沉积的。26.根据权利要求23至25中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述阳极层是金属的，并且是通过热蒸发来沉积在所述透明电子阻挡器(空穴提取器)聚合物层上的。27.根据权利要求23至26中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述电子供体-受体聚合物层通过使用旋转涂覆、浸溃涂覆、铸造、丝网印刷、刮片或喷墨印刷方法沉积聚合物溶液的涂层而形成。28.根据权利要求23至27中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述电子供体-受体聚合物层由聚合物溶液形成，所述聚合物溶液包括:聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6，6]-苯基461-丁酸甲酯(？0810的混合物，或聚(对苯撑乙烯)(PPV)和聚(2-甲氧基-5-丙氧基-磺酸酯-1，4-苯撑乙烯)(MPS-PPV)的混合物，或聚[2-甲氧基-5- (2'-乙基-己氧基)-1,4-苯撑乙烯](MEH-PPV)和PCBM的混合物，或聚[2-甲氧基-5- (3' ,7' - 二甲基辛氧基)]_1，4-苯撑乙烯(MDMO-PPV)和PCBM的混合物，或PPV和富勒烯(C60)的混合物，或聚(3-辛基噻吩)(P30T)和PCBM的混合物，或PCBM 和聚[2,6- (4，4-双-(2-乙基己基)_4H_ 环戊并[2，l-b;3,4-b/ ) 二噻吩)-交替-4，7- (2，1,3-苯并噻二唑)](PCDTBT)的混合物，或聚(N-十二烷基-2，5-双(2'-噻吩基)吡咯-(2，1，3-苯并噻二唑)](PTPTB)和PCBM的混合物，所述混合物溶解在氯苯或1,2-二氯苯或氯仿中。29.根据权利要求23至28中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述电子供体-受体聚合物层由聚合物溶液形成，所述聚合物溶液包括P3HT和PCBM按重量以1:1的比率的混合物。30.根据权利要求23至29中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，其中，所述电子供体-受体聚合物层由包括散布的碳纳米管的聚合物溶液形成。31.根据权利要 求23至30中任一项所述的形成压电-光伏结构的方法，包括以下步骤:对所述电子供体-受体聚合物层进行退火处理。32.根据权利要求23至31中任一项所述的形成压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛根达帕·L拉维·哈蒂马尼，伊莱亚斯·斯奥利斯，克莱安西斯·普里卡斯，德曼·瓦坦塞维，
申请(专利权)人：博尔顿大学，
类型：
国别省市：