БЛОК СЕНСИБИЛИЗИРОВАННОГО КРАСИТЕЛЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ В СЕБЯ БЛОК СЕНСИБИЛИЗИРОВАННОГО КРАСИТЕЛЕМ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЛОКА СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
DYE-SENSITIZED SOLAR CELL UNIT, A PHOTOVOLTAIC CHARGER INCLUDING A DYE-SENSITIZED SOLAR CELL UNIT, AND A METHOD FOR MANUFACTURING A SOLAR CELL UNIT

Область техники
Настоящее изобретение относится к блоку сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Настоящее изобретение дополнительно относится к фотоэлектрическому зарядному устройству, специально приспособленному для зарядки электронного устройства, включающего в себя блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ
Солнечные элементы использовались в течение долгого времени для преобразования энергии света в электричество. Солнечные панели используются, чтобы поглощать солнечный свет в качестве источника энергии для генерации электричества. Солнечная панель содержит множественные солнечные элементы, соединенные последовательно. Солнечные панели в больших количествах часто компонуются вместе в больших солнечных комплексах для производства электричества для сети электроснабжения.
Солнечные элементы становятся все более эффективными, а также более дешевыми для производства. Поэтому, естественно, компании создают все виды потребительских продуктов, питаемых, по меньшей мере частично, солнечными элементами. Множество портативных электронных устройств в настоящее время снабжаются встроенными перезаряжаемыми батареями, которые хранят энергию, и фотоэлектрическими зарядными устройствами, выполненными с возможностью подавать питания в батареи для их зарядки. Фотоэлектрическое зарядное устройство или солнечное зарядное устройство применяет солнечную энергию для подачи электричества на устройства и для зарядки батарей. Примерами таких портативных устройств являются планшеты, мобильные телефоны, наушники и калькуляторы. Когда используются солнечные элементы, батарея устройства укомплектовывается так, что время использования повышается, прежде чем возникнет необходимость зарядить устройство от внешнего источника. В зависимости от эффективности фотоэлектрического зарядного устройства и энергопотребления устройства, необходимость в зарядке устройства внешним источником может даже отпадать, и устройство тогда питается только солнечной энергией. Например, миниатюрные калькуляторы часто питаются исключительно от фотоэлектрических зарядных устройств.
Фотоэлектрические зарядные устройства, которые представлены на рынке сегодня, используют различные типы солнечных панелей, от тонкопленочных панелей с эффективностями (КПД) 7-15% до немного более эффективных монокристаллических панелей, которые обеспечивают КПД до 18%. КПД обычно тестируется с использованием стандартных условий тестирования, STC, которые представляют собой промышленный стандарт для условий, в которых тестируются солнечные панели. В случае STC облучение составляет 1000 Вт/м², температура составляет 25°C и воздушная масса составляет 1,5. В качестве примера, солнечная панель, дающая выходную мощность 200 Вт/м², имеет КПД 20%. Эти условия моделируют, каким является КПД солнечной панели во внешних условиях в летний солнечный безоблачный день. Спектр длин волн внутреннего светового освещения (внутри помещений) отличается от спектра длин волн внешнего светового излучения (снаружи помещений). Например, длины волны вне видимого диапазона часто отсутствуют во внутреннем освещении, поскольку стеклянные окна фильтруют УФ-свет, а лампы в помещении главным образом вырабатывают свет в видимом диапазоне. Таким образом, КПД солнечной панели, измеренный в условиях снаружи помещений, не может применяться к условиям внутри помещений. Обычный человеческий глаз будет реагировать на длины волн от примерно 390 до 700 нм, а свет в помещении в основном находится в пределах спектра видимого света.
В статье «Comparison of the indoor performance of 12 commercial PV products by a simple model» («Сравнение КПД внутри помещений 12-ти фотоэлектрических изделий с помощью простой модели»), Georgia Apostolou et al. (Георгия Апостолу и др.) поясняется, как внутреннее световое освещение отличается от внешнего светового излучения. Автор статьи утверждает, что в случае окна из двойного стеклопакета снижение мощности излучения на 1 и 5 м от окна будет составлять около 70% и 97%, соответственно. В статье показано, что в настоящее время солнечные панели теряют большую часть своей эффективности во внутреннем освещении. Таким образом, недостаток этих солнечных панелей состоит в том, что они имеют низкий КПД при низких интенсивностях света (светового излучения).
Другие недостатки существующих панелей солнечных элементов для питания электронных устройств состоят в том, что некоторые из них являются токсичными, имеют плохие механические свойства и являются дорогостоящими.
В GB2510451(А) OnBeat Ltd. показана пара наушников, питаемых от солнечных элементов. Гибкая солнечная панель обеспечена на внешней поверхности оголовья и на чашках наушников. Наушники могут также использоваться, чтобы питать внешнее устройство накопленной солнечной энергией. Наблюдателю визуально очевидно, что оголовье OnBeat покрыто панелью солнечных элементов, но тип солнечного элемента не указан.
Потребности в солнечных панелях для питания потребительских продуктов весьма отличаются по сравнению со стационарными солнечными панелями, используемыми для производства электричества в больших солнечных комплексах. Например, необходимо, чтобы солнечная панель в потребительском продукте была более прочной, гибкой и способной противостоять ударам. Дополнительно, они должны быть способны вырабатывать мощность при разных условиях освещения, как в помещении, так и снаружи. Условия освещения на разных частях солнечной панели могут также отличаться вследствие частичного затенения солнечной панели, которое уменьшает КПД солнечной панели. Также желательно, чтобы солнечные панели были эстетически привлекательными, поскольку они видимы пользователю.
Следует отметить, что существует множество примеров фотоэлектрических зарядных устройств, имеющих солнечную панель, включающую в себя множество солнечных элементов, соединенных последовательно, для питания портативных электронных устройств. Однако существуют несколько проблем с известными солнечными панелями, питающими портативные электронные устройства: они очень чувствительны к интенсивности света и углу падающего света. Солнечная панель с солнечными элементами, соединенными последовательно, чувствительна к частичному затенению, поскольку если один солнечный элемент не вырабатывает ток, вся последовательность солнечных элементов перестанет вырабатывать электричество. Они весьма чувствительны и легко ломаются. Например, солнечные элементы из кристаллического кремния являются хрупкими и могут растрескиваться при использовании на портативном электронном устройстве. Более того, пользователи могут быть не удовлетворены эстетикой, когда большие части продукта покрыты солнечными панелями, имеющими сетку видимых токоотводов на верхней стороне. Таким образом, существует необходимость в усовершенствовании фотоэлектрических зарядных устройств для использования с портативными электронными устройствами.
WO2013/149787 раскрывает модуль сенсибилизированных красителем солнечных элементов, имеющий последовательную структуру, содержащую множество блоков сенсибилизированных красителем солнечных элементов, расположенных смежно друг с другом и соединенных последовательно. Каждый блок элемента включает в себя рабочий электрод, первый проводящий слой для извлечения фотогенерированных электронов из рабочего электрода, противоэлектрод, включающий в себя второй проводящий слой, электролит для переноса электронов от противоэлектрода к рабочему электроду и элемент последовательного соединения для электрического соединения противоэлектрода с рабочим электродом смежного блока элемента. Модуль солнечного элемента содержит пористую изолирующую подложку, первый проводящий слой представляет собой пористый проводящий слой, сформированный на одной стороне пористой изолирующей подложки, а второй проводящий слой представляет собой пористый проводящий слой, сформированный на противоположной стороне пористой изолирующей подложки, и элемент последовательного соединения представляет собой проводящий слой, пронизывающий пористую изолирующую подложку и проходящий между первым проводящим слоем одного из блоков элемента и вторым проводящим слоем смежного блока элемента, тем самым электрически соединяя первый проводящий слой одного из блоков элементов со вторым проводящим слоем смежного блока элемента.
WO2014/184379 раскрывает сенсибилизированный красителем солнечный элемент, имеющий проводящие частицы, образующие проводящую сетку через изолирующий материал в пористой изолирующей подложке. Частицы образуют одну или более электрически проводящих дорожек через изолирующий материал изолирующей подложки. Проводящие частицы могут также быть каталитическими. Благодаря проводящей сетке в изолирующей подложке, расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем больше не зависит от толщины пористой подложки. Таким образом, толщина изолирующей части может быть уменьшена, и за счет этого может быть уменьшено расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем. Соответственно, потери на сопротивление в проводящей среде уменьшаются. Вследствие того факта, что расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем больше не зависит от толщины всей пористой подложки, а только от изолирующей части, также можно использовать подложку, которая является достаточно толстой для безопасной механической обработки.
Краткое описание сущности изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в по меньшей мере частичном преодолении описанных выше проблем и обеспечении усовершенствованного сенсибилизированного красителем солнечного элемента и фотоэлектрического зарядного устройства, подходящего для зарядки электронных устройств для потребительских применений, и более конкретно, для зарядки перезаряжаемых батарей электронных устройств.
Эта цель достигается с помощью сенсибилизированного красителем солнечного элемента, как определено в пункте 1 формулы изобретения.
Блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента содержит:
- рабочий электрод, содержащий пористый светопоглощающий слой,
- пористый первый проводящий слой, включающий в себя проводящий материал для извлечения фотогенерированных электронов из светопоглощающего слоя, причем светопоглощающий слой расположен поверх первого проводящего слоя,
- пористый изолирующий слой, выполненный из изолирующего материала, причем первый проводящий слой сформирован на одной стороне пористого изолирующего слоя,
- противоэлектрод, содержащий пористый каталитический проводящий слой, сформированный на противоположной стороне пористого изолирующего слоя, и
- ионный электролит для переноса электронов от противоэлектрода к рабочему электроду и расположенный в порах пористого первого проводящего слоя, пористого каталитического проводящего слоя и пористого изолирующего слоя, причем первый проводящий слой содержит изолирующий оксидный слой, сформированный на поверхностях проводящего материала, а пористый каталитический проводящий слой содержит проводящий материал и каталитические частицы, распределенные в проводящем материале, для улучшения переноса электронов из проводящего материала в электролит.
Под ионным электролитом подразумевается электролит, содержащий ионы в качестве носителя для электронов. Преимущество использования ионного электролита состоит в том, что он может обеспечивать высокую долгосрочную стабильность рабочим характеристикам солнечного элемента. Другое преимущество состоит в том, что КПД блока солнечного элемента является стабильным или повышается с повышением температуры. Соответственно, блок солнечного элемента хорошо работает в широком диапазоне температур.
Электролит расположен в порах светопоглощающего слоя, первого проводящего слоя, каталитического проводящего слоя и пористого изолирующего слоя. Электролит содержит ионы, которые транспортируют электроны от противоэлектрода к светопоглощающему слою рабочего электрода. Изолирующий оксидный слой обеспечивает электрически изолирующий слой на проводящем материале первого проводящего слоя, причем оксидный слой по меньшей мере частично препятствует переносу электронов между проводящим материалом и электролитом, расположенным в порах первого проводящего слоя. Соответственно, больше электронов достигают светопоглощающего слоя, и за счет этого увеличивается КПД блока солнечного элемента.
Каталитические частицы выполнены из материала, который отличается от проводящего материала каталитического проводящего слоя. Каталитические частицы работают как катализаторы и способствуют переносу электронов от проводящего материала к электролиту в порах каталитического проводящего слоя. Проводящий материал каталитического проводящего слоя является по существу некаталитическим, т.е. самое большее лишь незначительные каталитические реакции могут происходить в проводящем материале. Электроны извлекаются ионами в электролите в каталитическом проводящем слое. За счет распределения каталитических частиц в проводящем материале перенос электронов из проводящего материала улучшается, и соответственно КПД блока солнечного элемента повышается. Дополнительно, за счет расположения каталитических частиц максимально близко к рабочему электроду уменьшается расстояние, которое должны пройти ионы в электролите, чтобы достичь рабочего электрода. Таким образом, эффективное расстояние между рабочим электродом и противоэлектродом уменьшается, и соответственно уменьшаются потери на сопротивление в электролите, что приводит к более высокому КПД блока солнечного элемента. Дополнительное преимущество, достигаемое с уменьшенным расстоянием, состоит в том, что оно позволяет использование проводящих сред, имеющих низкую электрическую проводимость, таких как ионные жидкие электролиты.
Комбинация изолирующего оксидного слоя, который предотвращает утечку электронов из проводящего материала в электролит в порах первого проводящего слоя, и противоэлектрода, содержащего каталитический проводящий слой, содержащий каталитические частицы, распределенные в проводящем материале, улучшает перенос электронов к электролиту в противоэлектроде, что приведет к эффективному блоку солнечного элемента.
Дополнительно, во время изготовления блока солнечного элемента термическая обработка блока солнечного элемента в воздухе приведет к оксидному слою на проводящем материале первого проводящего слоя, а также на проводящем материале каталитического проводящего слоя. Можно предположить, что оксидный слой на проводящем материале каталитического проводящего слоя будет препятствовать переносу электронов от проводящего материала к электролиту, расположенному в порах каталитического проводящего слоя. Неожиданным образом, было обнаружено, что каталитические частицы, такие как платинированные частицы углерода, распределенные в проводящем материале, обеспечивают возможность переноса электронов от проводящего материала к электролиту, несмотря на оксидные слои на проводящем материале.
Каталитический проводящий слой является проводящим, а также каталитическим. Электролит может располагаться в порах всего каталитического проводящего слоя или только в верхней части каталитического проводящего слоя.
В одном аспекте противоэлектрод содержит второй проводящий слой, включающий в себя проводящий материал в электрическом контакте с каталитическим проводящим слоем, причем второй проводящий слой является по существу некаталитическим, а пористый каталитический проводящий слой расположен между пористым изолирующим слоем и вторым проводящим слоем.
В этом аспекте блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента содержит:
- рабочий электрод, содержащий пористый светопоглощающий слой,
- первый проводящий слой, содержащий проводящий материал для извлечения фотогенерированных электронов из светопоглощающего слоя, причем светопоглощающий слой расположен поверх первого проводящего слоя,
- пористый изолирующий слой, выполненный из изолирующего материала, причем первый проводящий слой сформирован на одной стороне пористого изолирующего слоя,
- противоэлектрод, содержащий:
i. второй проводящий слой, включающий в себя проводящий материал, и
ii. пористый каталитический проводящий слой, расположенный между пористым изолирующим слоем и вторым проводящим слоем и в электрическом контакте со вторым проводящим слоем, и
- ионный электролит, расположенный в порах первого проводящего слоя, каталитического проводящего слоя и пористого изолирующего слоя для переноса электронов от противоэлектрода к рабочему электроду, причем первый проводящий слой содержит изолирующий оксидный слой, сформированный на поверхностях проводящего материала, второй проводящий слой является по существу некаталитическим, и каталитический проводящий слой содержит проводящий материал и каталитические частицы, распределенные в проводящем материале, для улучшения переноса электронов к электролиту.
Второй проводящий слой выполнен из проводящего материала. Второй проводящий слой может быть пористым или непористым. Предпочтительно, второй проводящий слой исключает каталитические частицы. Второй проводящий слой сам является по существу некаталитическим, т.е. самое большее лишь незначительные каталитические реакции могут происходить во втором проводящем слое. Второй проводящий слой может содержать незначительное количество каталитического материала. Однако каталитические реакции сконцентрированы в каталитическом проводящем слое. Предпочтительно, чтобы электроны переносились к электролиту в каталитическом проводящем слое из-за его более короткого расстояния до рабочего электрода.
Вследствие того факта, что второй проводящий слой является по существу некаталитическим, электрическая проводимость второго проводящего слоя может быть выше электрической проводимости каталитического проводящего слоя. Таким образом, комбинация каталитического проводящего слоя, включающего в себя каталитические частицы, и второго проводящего слоя, который является по существу некаталитическим, приведет к эффективному переносу электронов от противоэлектрода к электролиту, а также обеспечит высокую электрическую проводимость противоэлектрода. Дополнительно, вследствие того факта, что второй проводящий слой является по существу некаталитическим, электронам труднее переноситься к электролиту во втором проводящем слое.
Когда блок солнечного элемента используется, второй проводящий слой принимает электроны от внешней цепи и распределяет электроны по каталитическому проводящему слою. Каталитические частицы работают как катализаторы и способствуют переносу электронов, принятых от второго проводящего слоя, к электролиту в порах каталитического проводящего слоя. За счет расположения каталитических частиц по возможности близко к рабочему электроду расстояние, которое ионы должны пройти в электролите, чтобы достичь рабочего электрода, уменьшается. Соответственно, потери мощности в блоке солнечного элемента уменьшаются, и таким образом КПД блока солнечного элемента дополнительно повышается. Второй проводящий слой обеспечивает эффективное распределение электронов по каталитическому проводящему слою.
В частности, комбинация изолирующего оксидного слоя, который препятствует утечке электронов из проводящего материала в электролит в порах первого проводящего слоя, и противоэлектрода, содержащего каталитический проводящий слой и некаталитический второй проводящий слой, который улучшает КПД противоэлектрода, приведет к эффективному блоку солнечного элемента, который способен вырабатывать энергию в широком диапазоне различных условий освещения. Блок солнечного элемента работает как в плохих, так и в отличных условиях светового освещения, например, в помещении при искусственном освещении и на улице в тени и при воздействии сильного солнечного света.
В одном аспекте проводящий материал второго проводящего слоя является титаном или его сплавом. В одном аспекте первый и второй проводящие слои содержат титан или его сплав. Предпочтительно использовать титан, поскольку он весьма коррозионностоек и может выдерживать высокие температуры, что является преимущественным при изготовлении блока солнечного элемента.
Каталитические частицы выполнены из каталитического материала, например, материалов на основе углерода, таких как графен или графит, или сажа, или углеродные нанотрубки, платины или их комбинации. Каталитические частицы могут быть электропроводными, а также каталитическими. В одном аспекте электрическая проводимость каталитических частиц ниже проводимости второго проводящего слоя.
Например, электролит представляет собой ионный жидкий электролит.
В одном аспекте каталитические частицы по существу равномерно распределены в каталитическом проводящем слое. Термин «по существу равномерно распределены» означает, что каталитические частицы распределены по всей площади каталитического проводящего слоя. Таким образом, каталитические частицы не сконцентрированы только в одной или нескольких частях каталитического проводящего слоя. Хотя концентрация каталитических частиц может изменяться по площади каталитического проводящего слоя, не существует больших областей без каких-либо каталитических частиц. Электролитом заполнены поры пористого каталитического проводящего слоя. За счёт распределения каталитических частиц по существу равномерно в каталитическом проводящем слое перенос электронов из проводящего материала каталитического проводящего слоя в электролит достигается по всей площади каталитического проводящего слоя, и соответственно улучшается перенос электронов от проводящих частиц к электролиту.
В одном аспекте проводящий материал пористого каталитического проводящего слоя формирует пористую матрицу, и каталитические частицы распределяются в пористой матрице. Под пористой матрицей подразумевается пористый слой, включающий в себя сетку взаимно соединенных проводящих частиц, которые образуют проводящие дорожки через пористый слой. Предпочтительно, каталитические частицы по существу равномерно распределены в пористой матрице. Каталитические частицы внедрены в пористую матрицу. Например, пористая матрица представляет собой слой спеченных проводящих частиц, и каталитические частицы расположены между проводящими частицами. Пористая матрица заключает в себе каталитические частицы и удерживает их на месте. Пористая матрица может действовать как клей между каталитическими частицами и удерживает их на месте.
В одном аспекте проводящий материал первого проводящего слоя является пористым титаном, а изолирующий оксидный слой является оксидом титана, образованным на поверхностях пористого титана. Первый проводящий слой содержит слой оксида титана, сформированный на поверхностях пористого титана и покрывающий поверхности пористого титана. Слой оксида титана препятствует утечке электронов из пористого титана в первом проводящем слое в электролит в порах первого проводящего слоя и соответственно повышает КПД блока солнечного элемента. В одном аспекте пористый титан содержит спеченные частицы титана, и поверхности спеченных частиц титана покрыты слоем оксида титана.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит от 1 до 50 мас.% каталитических частиц. Мас.% (% по массе) каталитических частиц, необходимый для достижения эффективного переноса электронов от проводящего материала к электролиту, зависит от размера и формы каталитических частиц и типа материала в каталитических частицах и типа проводящего материала.
В другом аспекте каталитический проводящий слой содержит от 1 до 30 мас.% каталитических частиц. Этот диапазон, например, является подходящим, когда проводящие частицы состоят из титана, а каталитические частицы состоят из платинированного углерода. Однако, как упомянуто ранее, мас.% каталитических частиц зависит от размера частиц.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит по меньшей мере 1 мас.% каталитических частиц. В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит по меньшей мере 5 мас.% каталитических частиц. В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит по меньшей мере 10 мас.% каталитических частиц.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит более 50 мас.% проводящего материала и менее 50 мас.% каталитических частиц.
Термин «NN мас.%» означает, что частицы представляют NN% общей массы проводящих и каталитических частиц. Действительный мас.% каталитических/проводящих частиц зависит от разницы в размере между каталитическими и проводящими частицами и от типа материала в каталитических и проводящих частицах.
Проводящий материал каталитического проводящего слоя представляет собой, например, металл, металлический сплав, оксид металла или другие проводящие материалы, например, титан, титановые сплавы, никель или никелевые сплавы, индий или оксид индия.
В одном аспекте проводящий материал каталитического проводящего слоя представляет собой титан. Например, проводящий материал каталитического проводящего слоя содержит спеченные частицы титана.
В одном аспекте каталитические частицы содержат углерод. Углерод является каталитическим веществом. Углерод является недорогим и экологически безопасным.
В одном аспекте каталитические частицы содержат платинированные частицы углерода. Платина является лучшим катализатором, чем углерод, но она дороже. Путем использования комбинации платины и углерода, хороший катализатор обеспечивается при более низких затратах.
В одном аспекте проводящий материал каталитического проводящего слоя является титаном, а каталитические частицы являются платинированными частицами углерода. Под термином «платинированные частицы углерода» подразумеваются частицы, имеющие основу из углерода, покрытую слоем платины. Платина является хорошим катализатором. Однако, проблема с платиной состоит в том, что ее сложно присоединить к титану. Платину можно легко присоединить к углероду. Однако, проблема с углеродом состоит в том, что он имеет плохую механическую прочность. Эти проблемы решаются путем распределения платинированных частиц углерода в матрице из титана. Титан имеет хорошую механическую прочность и сохраняет платинированные частицы углерода в их положениях в каталитическом проводящем слое. Таким образом, углерод, платина и титан вместе обеспечивают каталитический проводящий слой с высокой механической прочностью и высокой способностью переносить электроны в электролит.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит от 50 до 90 мас.% титана. В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит по меньшей мере 5 мас.% углерода и предпочтительно по меньшей мере 10 мас.% углерода. В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит по меньшей мере 0,001 мас.% платины.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит смесь проводящих частиц и каталитических частиц. Проводящие частицы находятся в электрическом контакте со вторым проводящим слоем. Каталитические частицы смешиваются с проводящими частицами для улучшения переноса электронов от проводящих частиц к электролиту. Проводящие частицы выполнены из проводящего материала. Предпочтительно, проводящие частицы являются некаталитическими и исключают каталитический материал. Смесь проводящих частиц и каталитических частиц приведет к эффективному переносу электронов из каталитического проводящего слоя в электролит. Каталитические частицы распределены среди проводящих частиц. Проводящие частицы могут образовывать матрицу, заключающую в себе каталитические частицы и удерживающую их на месте.
В одном аспекте каталитические частицы по существу равномерно распределены среди проводящих частиц. За счёт распределения каталитических частиц по существу равномерно в каталитическом проводящем слое улучшается перенос электронов от проводящих частиц к электролиту.
В одном аспекте проводящие частицы скреплены друг с другом, например, путем спекания. Проводящая частица может образовывать матрицу, вмещающую каталитические частицы. Каталитические частицы внедрены в матрицу проводящих частиц. Например, каталитический проводящий слой содержит спеченные проводящие частицы и каталитические частицы, расположенные между проводящими частицами. Проводящие частицы действуют как клей между каталитическими частицами и удерживают каталитические частицы в положениях между проводящими частицами.
В одном аспекте размер проводящих частиц больше размера каталитических частиц. Когда каталитический материал является более дорогостоящим, чем проводящий материал, предпочтительно, чтобы размер каталитических частиц был меньше размера проводящих частиц, чтобы снизить затраты.
В одном аспекте по меньшей мере 80% каталитических частиц имеют диаметр менее 50 нм. Такие небольшие частицы имеют большое отношение поверхность/объем и будут обеспечивать эффективную катализацию с уменьшенным объемом каталитического вещества. Если каталитический материал является платиной, это уменьшит затраты на каталитический материал.
В одном аспекте по меньшей мере 80% проводящих частиц имеют диаметр более 100 нм. Предпочтительно, размер проводящих частиц составляет от 0,1 до 5 мкм.
В одном аспекте каталитический проводящий слой содержит смесь частиц титана и платинированных частиц углерода. Предпочтительно, частицы титана присоединены друг к другу, например, путём спекания.
В одном аспекте проводящий материал в пористом каталитическом проводящем слое представляет собой тот же самый материал, что и используемый во втором проводящем слое.
В одном аспекте толщина каталитического проводящего слоя составляет менее 100 мкм и предпочтительно менее 20 мкм. В одном аспекте толщина каталитического проводящего слоя составляет по меньшей мере 1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 5 мкм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 10 мкм.
В одном аспекте толщина второго проводящего слоя составляет по меньшей мере 1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 10 мкм и предпочтительно по меньшей мере 20 мкм.
Толщина первого проводящего слоя предпочтительно также поддерживается тонкой, чтобы иметь короткое расстояние между светопоглощающим слоем и каталитическим проводящим слоем и противоэлектродом. Толщина первого проводящего слоя может составлять от 0,1 до 40 мкм и предпочтительно от 0,3 до 20 мкм.
В одном аспекте пористый изолирующий слой содержит пористую подложку, выполненную из изолирующего материала.
В одном аспекте пористый каталитический проводящий слой содержит пористую подложку, выполненную из изолирующего материала, а проводящие частицы каталитического проводящего слоя образуют проводящую сетку через изолирующий материал пористой подложки. Проводящие частицы и каталитические частицы расположены в порах пористой подложки. Проводящая сетка обеспечивает расширение противоэлектрода, который проходит в пористую подложку.
Под выражением «проводящие частицы образуют проводящую сетку через изолирующий материал» понимается, что частицы образуют одну или более электрически проводящих дорожек через изолирующий материал пористой подложки.
В одном аспекте блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента содержит пористую подложку, выполненную из изолирующего материала, причем пористый изолирующий слой является первой частью пористой подложки, а проводящие частицы каталитического проводящего слоя образуют проводящую сетку через вторую часть пористой подложки. Благодаря проводящей сетке в пористой подложке, расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем больше не зависит от толщины пористой подложки. Таким образом, толщина изолирующего слоя может быть уменьшена, и за счёт этого может быть уменьшено расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем.
Пористый изолирующий слой предотвращает короткое замыкание между первым проводящим слоем и каталитическим проводящим слоем. Проводящие частицы в каталитическом проводящем слое образуют проводящую сетку через изолирующий материал подложки. Проводящая сетка находится в электрическом контакте со вторым проводящим слоем противоэлектрода и поэтому будет значительно увеличивать площадь проводящей поверхности противоэлектрода.
В одном аспекте электролит представляет собой любое из йодидного/три-йодидного (йодистого/трёхйодистого) электролита, электролита на основе комплексных соединений меди или электролита на основе комплексных соединений кобальта, или их комбинацию.
-
-
3
В одном аспекте проводящая среда содержит йодид (I) и трийодид (I), и содержание трийодида в проводящей среде составляет от 1 мМ до 20 мМ. Этот вариант осуществления обеспечивает возможность достигать генерации высокой мощности при низких интенсивностях света.
В одном аспекте пористая подложка представляет собой лист, содержащий тканые микроволокна, проходящие по всему блоку солнечного элемента. Например, тканые микроволокна выполнены из стекловолокон. Лист, содержащий тканые микроволокна, проходящие по всему блоку солнечного элемента, способствует обеспечению гибкого, скручивающегося и устойчивого к воздействиям фотоэлектрического зарядного устройства.
2
2
В одном аспекте пористый светопоглощающий слой включает в себя окрашенный TiO. Пористый светопоглощающий слой, включающий в себя окрашенный TiO, является нехрупким и не зависит от угла падающего света.
2
В одном аспекте светопоглощающий слой представляет собой пористый слой наночастиц TiO с поглощающим органическим красителем. Примерами органических красителей являются: N719, N907, B11, C101. Также могут использоваться другие органические красители.
2
2
2
2
В одном аспекте блок солнечного элемента вырабатывает по меньшей мере 5 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс, и по меньшей мере 600 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Блок солнечного элемента вырабатывает более 5 мкВт/см при измерении на активной площади солнечного элемента, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс. Испытаниями было доказано, что блок солнечного элемента в соответствии с изобретением способен вырабатывать более 5 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс. Люкс является подходящей единицей для измерения интенсивности света (освещенности), поскольку он измеряет интенсивность света, воспринимаемого человеческими глазами. Люкс часто используется, чтобы измерять интенсивность света (освещения) внутри помещения, который в основном находится в части электромагнитного спектра, которая является видимой человеческому глазу. Соответственно, целесообразно связать КПД блока солнечного элемента с интенсивностью света, измеренной в люксах.
2
2
В одном аспекте блок солнечного элемента вырабатывает более 5,5 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс. Испытаниями было доказано, что блок солнечного элемента в соответствии с изобретением способен вырабатывать более 5,5 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс.
2
В одном аспекте блок солнечного элемента вырабатывает по меньшей мере 150 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 5000 люкс.
2
2
2
В одном аспекте блок солнечного элемента вырабатывает по меньшей мере 600 мкВт/см и предпочтительно по меньшей мере 700 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Более конкретно, блок солнечного элемента способен вырабатывать по меньшей мере от 5 до 600 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет от 200 до 20 000 люкс. Мощность, вырабатываемая блоком солнечного элемента, повышается по существу линейно, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, повышается с 200 до 20000 люкс. Таким образом, блок солнечного элемента способен вырабатывать мощность в широком диапазоне разных условий освещения. Блок солнечного элемента работает как при плохих, так и при отличных условиях освещения, например, в помещениях при искусственном освещении, на улице в тени и при воздействии сильного солнечного света.
Под по существу линейным подразумевается, что вырабатываемая мощность повышается линейно с повышением интенсивности света по меньшей мере в основной части интервала 200 и 20000 люкс. Например, вырабатываемая мощность может немного отличаться от линейной с интенсивностями от 200 до 1000 люкс.
В одном аспекте, блок солнечного элемента генерирует напряжение, изменяющееся менее чем на 40%, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется между 200 и 50000 люкс. Например, блок солнечного элемента генерирует напряжение, изменяющееся менее чем на 0,4 В, а предпочтительно менее чем на 0,3 В, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется между 200 и 50000 люкс. Напряжение, генерируемое блоком солнечного элемента, является вполне равномерным в интервале 200-50000 люкс. Это значит, что выработанное напряжение достаточно независимо от интенсивности света. Вследствие того факта, что напряжение, выводимое из блока солнечного элемента, изменяется лишь немного, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется между 200 и 50000 люкс, возможно использовать повышающий преобразователь, чтобы усилить напряжение для широкого диапазона различных интенсивностей света без излишних потерь во время преобразования.
Уровень сгенерированного напряжения зависит от ионов в электролите. Например, если электролит содержит ионы меди, блок солнечного элемента может генерировать напряжение примерно 1 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс, и если электролит содержит ионы йодида и трийодида, блок солнечного элемента может генерировать напряжение 0,65 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20 000 люкс.
В одном аспекте блок солнечного элемента генерирует напряжение по меньшей мере 0,3 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс.
Дополнительно, блок солнечного элемента генерирует напряжение менее 1,2 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс.
В одном аспекте ток, вырабатываемый блоком солнечного элемента, повышается линейно, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, повышается с 200 до 20000 люкс.
2
2
2
В одном аспекте блок солнечного элемента вырабатывает ток по меньшей мере 15 мкА/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс, и ток, вырабатываемый блоком солнечного элемента, линейно повышается, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, повышается с 200 до 20000 люкс. Вследствие линейности и того факта, что блок солнечного элемента не вырабатывает никакого тока, когда интенсивность света является нулевой, и вырабатывает ток по меньшей мере 15 мкА/см, когда интенсивность света составляет 200 люкс, блок солнечного элемента вырабатывает ток примерно 1500 мкА/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Таким образом, блок солнечного элемента способен вырабатывать достаточную мощность для зарядки батарей электронных устройств в широком диапазоне интенсивностей света.
Блок солнечного элемента предпочтительно представляет собой монолитный блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Монолитный блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента характеризуется тем, что все слои непосредственно или опосредованно нанесены на одну и ту же пористую подложку.
Первый и второй проводящие слои расположены на теневой стороне светопоглощающего слоя, т.е. стороне, противоположной стороне, принимающей свет. Таким образом, первый и второй проводящие слои расположены на одной и той же стороне светопоглощающего слоя.
Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении фотоэлектрического зарядного устройства, специально приспособленного для зарядки электронного устройства.
Эта задача решается с помощью фотоэлектрического зарядного устройства, содержащего блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента в соответствии с изобретением, оболочку, инкапсулирующую блок солнечного элемента, первый проводник, электрически соединенный с первым проводящим слоем, и по меньшей мере один второй проводник, электрически соединенный со вторым проводящим слоем, причем фотоэлектрическое зарядное устройство содержит только один-единственный блок солнечного элемента и повышающий преобразователь, электрически соединенный с первым и вторым проводниками, и повышающий преобразователь приспособлен, чтобы повышать напряжение от блока солнечного элемента при понижении тока от блока солнечного элемента.
Фотоэлектрическое зарядное устройство в соответствии с изобретением способно заряжать устройства, когда условия освещения являются очень плохими. Например, фотоэлектрическое зарядное устройство способно заряжать электронные устройства, когда единственным источником освещения является лампа. Это позволяет заряжать электронные устройства в помещениях ночью.
Более того, поскольку фотоэлектрическое зарядное устройство имеет только один-единственный блок солнечного элемента, не будет проблем от частичного затенения. Даже если части поверхности блока солнечного элемента затенены, незатененные части всё ещё будут вырабатывать ток. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство в соответствии с изобретением по-прежнему способно заряжать электронное устройство, даже когда активная площадь фотоэлектрического зарядного устройства частично затенена. Под активной площадью подразумевается площадь блока солнечного элемента, которая способствует выработке мощности, когда она подвергается воздействию света.
Первый проводник работает как токоотвод и собирает токи из первого проводящего слоя. Второй проводник работает как распределитель тока и распределяет токи по второму проводящему слою. Фотоэлектрическое зарядное устройство имеет один-единственный масштабируемый солнечный элемент, который может быть приспособлен к любой форме или размеру портативного электронного устройства. Не требуется множество токоотводов, расположенных на видимой стороне фотоэлектрического зарядного устройства, и отсутствие видимых токоотводов приводит к визуально однородной поверхности. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство может использоваться на портативном электронном устройстве, не оказывая влияния на конструкцию устройства. Другими словами, портативное электронное устройство может получать питание от фотоэлектрического зарядного устройства, невидимого наблюдателю. Другое преимущество отсутствия множества соединительных элементов, расположенных по поверхности блока солнечного элемента, состоит в том, что большая площадь блока солнечного элемента может использоваться для генерации мощности, поскольку нет множества токоотводов, блокирующих входящий свет.
Дополнительные преимущества фотоэлектрического зарядного устройства включают в себя низкую стоимость, стойкость к воздействиям, гибкость и независимость от угла входящего света.
Дополнительно, размер одиночного блока солнечного элемента является масштабируемым, и соответственно размер и мощность фотоэлектрического зарядного устройства могут приспосабливаться к размеру и потреблению мощности разных устройств, подлежащих зарядке. При увеличении площади блока солнечного элемента, повышается мощность, генерируемая фотоэлектрическим зарядным устройством.
Фотоэлектрическое зарядное устройство содержит повышающий преобразователь, электрически соединенный с первым и вторым проводниками, и повышающий преобразователь приспособлен, чтобы повышать напряжение из блока солнечного элемента, в то же время понижая ток из блока солнечного элемента. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство способно генерировать достаточный уровень напряжения для зарядки электронных устройств в широком диапазоне различных условий освещения. Разные типы батарей требуют разных уровней напряжения. Повышающий преобразователь позволяет снабжать перезаряжаемые батареи электронных устройств уровнем напряжения, требуемым для типа батареи. Напряжение, вырабатываемое одиночным блоком солнечного элемента, является слишком низким для зарядки некоторых типов батарей, например, литиевых батарей, которые требуют примерно 3,6 В. В предшествующем уровне техники требуемое напряжение достигается путем компоновки множества блоков солнечных элементов, соединенных последовательно. В соответствии с изобретением, требуемое напряжение достигается путем соединения повышающего преобразователя с одиночным блоком солнечного элемента. Таким образом, можно обеспечить фотоэлектрическое зарядное устройство, имеющее только один блок солнечного элемента, способный заряжать батареи, которые требуют разных уровней напряжения.
В одном аспекте повышающий преобразователь выполнен с возможностью преобразовывать напряжение из блока солнечного элемента в напряжение, которое находится в диапазоне от 1 до 10 В. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство способно заряжать батареи, используемые для многих типов электронных устройств для потребительских применений, такие как литиевые или никелевые батареи.
В одном аспекте повышающий преобразователь выполнен с возможностью преобразовывать напряжение от 0,25 до 1 В в напряжение выше 3 В, а предпочтительно выше 3,5 В. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство может использоваться, чтобы заряжать батарею, имеющую напряжение нагрузки выше 3 В, такую как литиевая батарея, которая обычно требует напряжения нагрузки от 3 до 4,5 В в зависимости от того, как нагружается батарея.
2
В одном аспекте повышающий преобразователь способен обрабатывать токи от 15 до 9000 мА/см. Таким образом, повышающий преобразователь способен обрабатывать токи от блока солнечного элемента от 200 люкс до 120000 люкс, что является полным солнечным светом.
В одном аспекте оболочка выполнена из прозрачного пластика. Этот признак способствует обеспечению гибкого, скручиваемого и устойчивого к воздействиям фотоэлектрического зарядного устройства.
В соответствии с некоторыми аспектами, форма и размер одиночного блока солнечного элемента приспосабливается к размеру и форме портативного электронного устройства, которое он питает. Дополнительно, активная площадь блока солнечного элемента приспосабливается к мощности, необходимой для зарядки устройства.
В одном аспекте кратчайшее расстояние от одной до другой стороны активной площади блока солнечного элемента больше 1 см, а предпочтительно больше 1,5 см.
2
В одном аспекте кратчайшее расстояние от одной до другой стороны активной площади блока солнечного элемента больше 1,5, и активная площадь блока солнечного элемента больше 25 см. Такое фотоэлектрическое зарядное устройство, например, используется для зарядки наушников.
2
В одном аспекте кратчайшее расстояние от одной до другой стороны активной площади солнечного элемента больше 10 см. Таким образом, активная площадь блока солнечного элемента больше 100 см. Такое фотоэлектрическое зарядное устройство, например, используется для зарядки планшета.
Например, электронное устройство является любым из наушников, планшета или мобильного телефона. Например, электронное устройство представляет собой наушники, содержащие оголовье, протягиваемое на голове пользователя, причем фотоэлектрическое зарядное устройство расположено на верхней поверхности оголовья. Например, электронное устройство представляет собой планшет, причем фотоэлектрическое зарядное устройство интегрировано в планшет или в чехол планшета. Например, портативное электронное устройство представляет собой мобильный телефон, причем фотоэлектрическое зарядное устройство интегрировано в мобильный телефон или в чехол мобильного телефона.
Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа изготовления блока солнечного элемента.
Способ содержит:
- приготовление первого красителя, содержащего проводящие частицы,
- приготовление второго красителя, содержащего смесь проводящих частиц и каталитических частиц,
- обеспечение пористой изолирующей подложки,
- нанесение первого слоя первого красителя на первую сторону пористой изолирующей подложки,
- нанесение второго слоя второго красителя на вторую сторону пористой изолирующей подложки,
- спекание пористой изолирующей подложки с нанесенными слоями для преобразования первого слоя в пористый первый проводящий слой и второго слоя в пористый каталитический проводящий слой, и
- нагрев пористой изолирующей подложки со спеченными проводящими слоями в воздухе для образования оксида титана на поверхностях первого проводящего слоя.
Способ дополнительно содержит расположение пористого светопоглощающего слоя поверх пористого первого проводящего слоя, просачивание ионного электролита в пористые слои (пропитку электролитом пористых слоев) и герметизацию блока солнечного элемента.
По меньшей мере некоторые из этапов способа могут выполняться в другом порядке, например, второй слой может наноситься перед первым слоем. Нагрев в воздухе может, например, выполняться одновременно с формированием светопоглощающего слоя поверх пористого первого проводящего слоя.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает первый пример сенсибилизированного красителем блока солнечного элемента.
Фиг. 2 показывает второй пример сенсибилизированного красителем блока солнечного элемента.
Фиг. 3 показывает вид сверху на фотоэлектрическое зарядное устройство в соответствии с одним или более вариантами осуществления изобретения.
Фиг. 4 показывает разрез фотоэлектрического зарядного устройства, показанного на фиг. 3, в увеличенном виде.
Фиг. 5 показывает диаграмму измеренных значений для сгенерированного напряжения (мВ) для интенсивностей света (освещенностей) от 200 до 20000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы йодида и трийодида.
2
Фиг. 6 показывает диаграмму на основе измеренных значений для сгенерированного тока (мкА/см) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента.
2
Фиг. 7 показывает диаграмму на основе измеренных значений для сгенерированной мощности на площадь (мкВт/см) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы йодида и трийодида.
Фиг. 8 показывает диаграмму измеренных значений для сгенерированного напряжения (мВ) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы меди.
2
Фиг. 9 показывает диаграмму на основе измеренных значений для сгенерированного тока (мкА/см) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы меди.
2
Фиг. 10 показывает диаграмму на основе измеренных значений для сгенерированной мощности на площадь (мкВт/см) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс для третьего примера блока солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы меди.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Аспекты настоящего раскрытия будут описаны далее более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Блок сенсибилизированного красителем солнечного элемента и фотоэлектрическое зарядное устройство, раскрытые здесь, могут, однако, быть реализованы во множестве разных форм и не должны пониматься как ограниченные изложенными здесь аспектами. Одинаковые ссылочные позиции на чертежах относятся к одинаковым элементам.
Терминология, используемая здесь, имеет целью только описание конкретных аспектов раскрытия и не предназначена ограничивать изобретение.
Если не определено иное, все термины, используемые здесь, имеют то же самое значение, что и обычно понимаемое специалистом в области техники, которой принадлежит настоящее раскрытие.
Фиг. 1 показывает пример блока 1 сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Блок 1 солнечного элемента содержит рабочий электрод, содержащий светопоглощающий слой 10 и пористый первый проводящий слой 12 для извлечения фотогенерированных электронов из светопоглощающего слоя 10. Предпочтительно, светопоглощающий слой 10 является пористым. Светопоглощающий слой 10 расположен поверх первого проводящего слоя 12. Блок 1 солнечного элемента дополнительно содержит пористый изолирующий слой 105, выполненный из изолирующего материала, причем первый проводящий слой 12 расположен поверх пористого изолирующего слоя 105. Например, пористый изолирующий слой 105 представляет собой пористую подложку.
Блок 1 солнечного элемента имеет противоэлектрод, содержащий пористый каталитический проводящий слой 106, содержащий пористый проводящий материал 107’ и каталитические частицы 107’’, распределенные в пористом проводящем материале 107’, для улучшения переноса электронов в электролит 110, расположенный в порах пористого каталитического проводящего слоя 106. В одном аспекте проводящий материал 107’ пористого каталитического проводящего слоя 106 содержит проводящие частицы 107’. Например, пористый каталитический проводящий слой 106 содержит смесь проводящих частиц 107’ и каталитических частиц 107’’, как показано на увеличенной фигуре справа на фиг. 1. Предпочтительно, каталитические частицы 107’’ по существу равномерно распределены в проводящем материале 107’ каталитического проводящего слоя 106.
Пористый каталитический проводящий слой 106 расположен смежно с пористым изолирующим слоем 105 на противоположной стороне изолирующего слоя по сравнению с первым проводящим слоем.
В одном аспекте противоэлектрод блока 1 солнечного элемента содержит второй проводящий слой 16, включающий в себя проводящий материал. Пористый каталитический проводящий слой 106 расположен между пористым изолирующим слоем 105 и вторым проводящим слоем 16. Каталитический проводящий слой 106 находится в электрическом контакте со вторым проводящим слоем 16. Второй проводящий слой 16 является по существу некаталитическим. Первый проводящий слой 12, каталитический проводящий слой 106 и изолирующий слой 105 являются пористыми, позволяя электролиту проникать через слои, чтобы достигать светопоглощающего слоя 10. В одном аспекте второй проводящий слой также является пористым. В альтернативном варианте осуществления второй проводящий слой 16 может быть исключен.
Блок 1 солнечного элемента также содержит ионный электролит 110 для переноса зарядов между противоэлектродом и рабочим электродом. Например, ионный электролит является жидкостью или гелем. Ионный электролит расположен в порах пористых слоев, таких как пористый первый проводящий слой 12, каталитический проводящий слой 106, пористый изолирующий слой 105 и светопоглощающий слой 10. Ионный электролит может также быть расположен в порах второго проводящего слоя 16, если второй проводящий слой является пористым.
Проводящий материал в пористом каталитическом проводящем слое 106 является частью противоэлектрода. Следовательно, поскольку каталитический проводящий слой 106 и второй проводящий слой 16 находятся в электрическом контакте, эффективное расстояние между светопоглощающим слоем 10 и вторым проводящим слоем 16 короче и потери на сопротивление в проводящей среде поэтому уменьшаются. Дополнительно, каталитические частицы 107’’ способствуют переносу электронов из проводящего материала 107’ в пористом каталитическом проводящем слое в электролит 110.
В одном аспекте каталитический проводящий слой 106 содержит смесь проводящих частиц 107’ и каталитических частиц 107’’. Проводящие частицы находятся в электрическом контакте со вторым проводящим слоем 16. Предпочтительно, проводящие частицы являются некаталитическими и исключают каталитический материал. Смесь проводящих частиц и каталитических частиц будет приводить к эффективному переносу электронов из каталитического проводящего слоя в электролит.
Проводящие частицы каталитического проводящего слоя включают в себя проводящий материал и находятся в электрическом контакте со вторым проводящим слоем 16. Каталитические частицы распределены среди проводящих частиц. Проводящие частицы действуют как держатель для каталитических частиц и удерживают их на месте. Проводящие частицы могут образовывать матрицу для размещения каталитических частиц и удержания их на месте. Например, матрица содержит спеченные металлические частицы.
В одном аспекте каталитические частицы по существу равномерно распределены среди проводящих частиц. Путем распределения каталитических частиц по существу равномерно в каталитическом проводящем слое, перенос электронов от проводящих частиц в электролит улучшается. В одном аспекте проводящие частицы скреплены друг с другом, например, путём спекания. Проводящая частица может образовывать матрицу, вмещающую каталитические частицы. Каталитические частицы внедрены в матрицу проводящих частиц. Например, каталитический проводящий слой содержит спеченные проводящие частицы, и каталитические частицы расположены между проводящими частицами. Проводящие частицы действуют как клей между каталитическими частицами и удерживают каталитические частицы в положении между проводящими частицами.
В одном аспекте по меньшей мере 80% каталитических частиц 107’’ имеют диаметр менее 50 нм. Такие небольшие частицы имеют большое отношение поверхность/объем и будут обеспечивать эффективную катализацию с уменьшенным объемом каталитического материала. Если каталитическим материалом является платина, это уменьшит затраты на каталитический материал. В одном аспекте по меньшей мере 80% проводящих частиц имеют диаметр больше 100 нм. Предпочтительно, размер проводящих частиц составляет от 0,1 до 15 мкм.
Проводящий материал первого и второго проводящих слоев 12, 16 может, например, представлять собой металл, металлический сплав, оксид металла или другие проводящие материалы, например, титан, титановые сплавы, никель или никелевые сплавы. Допустимо, что первый и второй проводящие слои 12, 16 содержат титан или его сплав. Например, проводящий материал первого и второго проводящих слоев является титаном. Например, первый проводящий слой 12 может содержать спеченные частицы титана, чтобы быть пористым. Предпочтительно использовать титан, поскольку он является весьма коррозионностойким, а ионные электролиты часто являются весьма коррозионными.
Проводящий материал 107’ в каталитическом проводящем слое 106 может, например, быть выполнен из металла, металлического сплава, оксида металла или других проводящих материалов, например, титана, титановых сплавов, никеля или никелевых сплавов, индия или оксида индия. Каталитические частицы 107’’ выполнены, например, из материалов на основе углерода, таких как графен или графит, или сажа, или углеродные нанотрубки, платины или их комбинации.
В одном аспекте каталитические частицы 107’’ содержат частицы углерода. Углерод является недорогим и экологически безопасным. Более предпочтительно, каталитические частицы 107’’ включают в себя платинированные частицы углерода. Платина является лучшим катализатором, чем углерод, но является дорогостоящей. Путем использования комбинации платины и углерода, хороший катализатор обеспечивается с более низкими затратами. Каталитические частицы могут быть электрически проводящими, а также каталитическими. Например, углерод является электрически проводящим, а также каталитическим. Однако, углерод является плохим проводником по сравнению с другим проводящим материалом, таким как титан.
Электрическая проводимость первого и второго проводящего слоя 12, 16 может быть выше электрической проводимости каталитического проводящего слоя 106. Комбинация каталитического проводящего слоя 106 со смесью проводящего материала и каталитических частиц и второго проводящего слоя 16 по существу без каталитических частиц приведет в результате к эффективному переносу электронов из проводящих частиц 107’ противоэлектрода в электролит, а также высокой электрической проводимости противоэлектрода.
Предпочтительно, каталитический проводящий слой содержит от 1 до 50 мас.% каталитических частиц. Мас.% каталитических частиц, необходимый для достижения эффективного переноса электронов от проводящего материала к электролиту, зависит от размера и формы каталитических частиц и типа материала в каталитических частицах и типа проводящего материала. Например, каталитический проводящий слой может содержать от 5 до 30 мас.% каталитических частиц. Этот диапазон, например, подходит, когда проводящие частицы состоят из титана, а каталитические частицы состоят из платинированного углерода. Однако, как упомянуто ранее, мас.% каталитических частиц зависит от размера частиц.
Например, если проводящий материал 107’ в каталитическом проводящем слое 106 является титаном, каталитические частицы 107’’ содержат платинированный углерод, а размер каталитических частиц 107’’ меньше размера проводящих частиц 107’, каталитический проводящий слой 106 может содержать от 5 до 30 мас.% каталитических частиц 107’’ для обеспечения эффективного переноса электронов в электролит. Например, каталитический проводящий слой содержит от 50 до 90 мас.% титана, по меньшей мере 5 мас.% углерода и по меньшей мере 0,001 мас.% платины. Титан имеет хорошую механическую прочность и удерживает платинированные частицы углерода в их положениях в каталитическом проводящем слое. Таким образом, углерод, платина и титан вместе обеспечивают каталитический проводящий слой с высокой механической прочностью и высокой способностью переносить электроны в электролит.
В одном аспекте толщина t1 каталитического проводящего слоя 106 составляет по меньшей мере 1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 5 мкм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 10 мкм. В одном аспекте толщина t1 каталитического проводящего слоя 106 меньше 100 мкм, а предпочтительно меньше 20 мкм. В одном аспекте толщина t2 пористого изолирующего слоя 105 составляет от 0,1 мкм до 20 мкм, а предпочтительно от 0,5 мкм до 10 мкм. В одном аспекте толщина t4 второго проводящего слоя 16 составляет по меньшей мере 1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 10 мкм и предпочтительно по меньшей мере 20 мкм.
Первый проводящий слой 12 содержит изолирующий оксидный слой 109, сформированный на поверхности проводящего материала, как показано на увеличенной фигуре слева на фиг. 1. Этот оксидный слой 109 формируется, например, путем окисления проводящего материала первого проводящего слоя. Проводящий материал приемлемым образом содержит металл или металлический сплав, например, титан. Поверхность проводящего материала окисляется при подвергании воздействию воздуха. Оксидный слой 109 может формироваться путем выполнения термической обработки первого проводящего слоя в окислительной среде, так что проводящий материал становится окисленным. Изолирующий оксидный слой 109 обеспечивает электрически изолирующий слой на проводящем материале, который по меньшей мере частично препятствует переносу электронов между первым проводящим слоем 12 и электролитом, расположенным в порах первого проводящего слоя 12.
В одном аспекте первый проводящий слой 12 содержит пористый титан и слой 109 оксида титана, сформированный на поверхностях пористого титана, так что оксидный слой 109 электрически изолирует пористый титан первого проводящего слоя и за счёт этого препятствует утечке электронов из пористого титана в первом проводящем слое в электролит в порах первого проводящего слоя. Таким образом, КПД блока солнечного элемента повышается. Например, первый проводящий слой 12 содержит спеченные частицы 107 титана, и поверхности спеченных частиц 107 титана покрыты слоем 109 оксида титана, как показано на увеличенной фигуре слева на фиг. 1. В одном аспекте толщина слоя оксида титана больше 5 нм, предпочтительно больше 10 нм и более предпочтительно больше 20 нм. В одном аспекте толщина слоя оксида титана составляет от 10 до 200 нм, а предпочтительно от 20 до 50 нм.
В частности, комбинация изолирующего оксидного слоя 109, который предотвращает утечку электронов из первого проводящего слоя в электролит на жидкой основе, и противоэлектрода, содержащего каталитический проводящий слой 106, включающий в себя каталитические частицы 107’’, распределенные в пористом проводящем материале 107, и некаталитический проводящий слой 16, который улучшает КПД противоэлектрода, приведет к эффективному блоку солнечного элемента, который способен вырабатывать мощность в широком диапазоне разных условий освещения. Блок солнечного элемента работает как при плохих, так и при отличных условиях освещения, например, в помещении при искусственном освещении и на улице в тени и при воздействии сильного солнечного света.
-
-
3
В одном аспекте электролит представляет собой любое из йодидного/трийодидного электролита, электролита на основе комплексных соединений меди или электролита на основе комплексных соединений кобальта или их комбинации. В одном аспекте электролит содержит йодид (I) и трийодид (I) и содержание трийодида в проводящей среде составляет от 1 мМ до 20 мМ. Этот вариант осуществления делает возможным достижение генерации высокой мощности при низких интенсивностях света.
Изолирующий материал пористого изолирующего слоя 105 представляет собой, например, неорганический материал (вещество), который расположен между первым проводящим слоем 12 и каталитическим проводящим слоем 106 и изолирует первый проводящий слой 12 и каталитический проводящий слой 106 друг от друга. Пористый изолирующий слой 105, например, выполнен из стекловолокон, керамических микроволокон или материалов, полученных расслоением многослойных кристаллов, таких как 2D материалы или нанолисты.
Блок 1 солнечного элемента может содержать пористую подложку. Пористый изолирующий слой 105 может содержать всю подложку, как показано на фиг. 1, или только часть 114a пористой подложки 114 как показано на фиг. 2. В соответствии с одним аспектом, пористая подложка представляет собой лист, содержащий тканые микроволокна, проходящие по всему блоку солнечного элемента. Например, тканые микроволокна выполнены из стекловолокон.
Фиг. 2 показывает пример сенсибилизированного красителем солнечного элемента 1’, содержащего пористую подложку 114, выполненную из изолирующего материала. Одинаковые или соответствующие части на фиг. 1 и 2 обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Разница между солнечными элементами 1’ и 1 состоит в том, что пористый каталитический проводящий слой 106’ содержит первую часть 114a пористой подложки 114, а пористый изолирующий слой 105 содержит вторую часть 114b пористой подложки 114. Каталитический проводящий слой 106’ содержит проводящие частицы 107’ и каталитические частицы 107’’, расположенные в порах первой части 114a пористой подложки 114. Проводящие частицы 107’ каталитического проводящего слоя 106’ образуют проводящую сетку 209 через изолирующий материал части 114a пористой подложки 114. Проводящая сетка 209 образует одну или более электрически проводящих дорожек через изолирующий материал первой части 114a пористой подложки. Проводящие частицы 107’ и каталитические частицы 107’’ расположены в порах пористой подложки 114. Предпочтительно, размер этих частиц меньше размера пор в пористой подложке, чтобы они могли проникать в подложку во время изготовления солнечного элемента. Проводящая сетка 209 обеспечивает расширение второго проводящего слоя, который проходит в пористую подложку 114. Благодаря проводящей сетке в пористой подложке, расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем больше не зависит от толщины пористой подложки. Таким образом, толщина изолирующего слоя может быть уменьшена, и за счёт этого расстояние между противоэлектродом и светопоглощающим слоем может быть уменьшено. Соответственно, потери на сопротивление в электролите уменьшаются.
В дальнейшем кратко описан пример способа изготовления блока 1 солнечного элемента.
1) Приготовление первого красителя, содержащего проводящие частицы, выполненные из электрически проводящего материала. Проводящие частицы выполнены, например, из гидрида титана.
2
2) Приготовление второго красителя, содержащего смесь проводящих частиц и каталитических частиц. Проводящие частицы выполнены, например, из гидрида титана (TiH), а каталитические частицы являются, например, платинированными частицами углерода.
3) Обеспечение пористой изолирующей подложки, например, стеклополотна.
4) Нанесение проводящих частиц на одну сторону пористой изолирующей подложки, например, путём нанесения печатью первого красителя, включающего в себя частицы гидрида титана, на одну сторону пористой изолирующей подложки.
5) Последующее обеспечение сушки на воздухе нанесенного печатью первого красителя.
6) Нанесение смеси каталитических частиц и проводящих частиц на другую сторону пористой изолирующей подложки, например, путем нанесения печатью второго красителя, включающего в себя частицы гидрида титана и платинированные частицы углерода, на другую сторону пористой изолирующей подложки.
7) Последующее обеспечение сушки на воздухе нанесенного печатью второго красителя.
8) Нанесение проводящих частиц поверх каталитического проводящего слоя, например, путем нанесения печатью первого красителя, включающего в себя частицы гидрида титана, на слой смеси каталитических частиц и проводящих частиц.
9) Последующее обеспечение сушки на воздухе нанесенного печатью первого красителя.
10) Пористая изолирующая подложка с нанесенными печатью слоями затем спекается в вакууме, например, при 600°C в течение часа. Во время процесса спекания гидрид титана преобразуется в титан. Следовательно, первый проводящий слой, включающий в себя спеченный титан, второй проводящий слой, включающий в себя спеченный титан, и каталитический проводящий слой, включающий в себя спеченный титан и платинированные частицы углерода, расположенные в порах между спеченным титаном, формируются во время процесса спекания.
11) Пористая изолирующая подложка со спеченными проводящими слоями нагревается в воздухе для образования оксида титана на поверхностях спеченного титана первого проводящего слоя.
2
2
12) Краситель на основе TiOнаносится печатью поверх первого проводящего слоя и затем высушивается. Стеклополотно с упомянутыми слоями нагревается, например, до 600°C. Затем нанесенный слой TiO спекается.
2
13) Спеченный слой TiO сенсибилизируется красителем для формирования светопоглощающего слоя.
-
-
3
14) Ионный электролит, например, окислительно-восстановительный электролит на основе йодида/трийодида (I/I), просачивается в пористые слои.
15) Солнечная батарея герметизируется, например, с помощью прозрачной оболочки.
2
Альтернативно, этап 11 может выполняться одновременно со спеканием слоя TiO на этапе 12.
Пористые проводящие слои могут наноситься на пористую подложку любым из трафаретной печати, нанесения с использованием щелевой экструзионной головки, распыления или мокрого переноса копии.
Во время термической обработки на этапе 11 на каталитическом проводящем слое также формируется оксид титана. Можно предположить, что оксидный слой на каталитическом проводящем слое будет препятствовать переносу электронов между проводящим материалом и электролитом, расположенным в порах каталитического проводящего слоя. Неожиданным образом, было обнаружено, что каталитические частицы, например, платинированные частицы углерода, обеспечивают возможность переноса электронов от проводящего материала к электролиту, несмотря на оксидный слой на проводящем материале каталитического проводящего слоя.
Фиг. 3 показывает вид сверху примера фотоэлектрического зарядного устройства 200. Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 специально приспособлено для питания портативных электронных устройств, которые могут использоваться в помещении, а также на улице, таких как наушники, ноутбуки, планшеты, мобильные телефоны и пульты дистанционного управления. Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 может также использоваться для питания миниатюрных электронных устройств, встроенных в другие физические устройства, такие как транспортные средства, и бытовые электронные приборы, называемые Интернетом вещей (IoT).
Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 содержит блок 1 солнечного элемента, оболочку 5, заключающую в себе блок 1 солнечного элемента, первый проводник 18 и второй проводник 20. Фотоэлектрическое зарядное устройство может дополнительно содержать соединительные элементы (не показаны) для соединения фотоэлектрического зарядного устройства 200 с электронным устройством. Блок 200 солнечного элемента представляет собой DSC монолитного типа. Монолитный тип DSC отличается от стандартного DSC тем, что он создается на единственной подложке, с множественными слоями, расположенными на подложке.
Оболочка содержит множество проходов в соединении с первым и вторым проводниками для соединения фотоэлектрического устройства с внешним устройством. Другими словами, имеются проходы в оболочке для доступа к мощности, вырабатываемой фотоэлектрическим устройством. Некоторый вид проводного соединения будет проходить через проходы. Например, первый и второй проводники могут выходить из оболочки через проходы для соединения с проводкой для питания внешнего устройства. Альтернативно, провода извне оболочки проходят через проходы и электрически соединяются с первым и вторым проводниками. Проходы плотно посажены на провода, проходящие через оболочку, так что газ или жидкость не могут проникнуть через проходы. Например, проходы представляют собой отверстия в оболочке, плотно посаженные на провода, проходящие через оболочку.
Оболочка 5 содержит множество проходов 7a-b, скомпонованных в соединении с первым проводником 18 и вторым проводником 20 для соединения фотоэлектрического устройства 1 с внешним устройством и за счет этого осуществления доступа к мощности, вырабатываемой фотоэлектрическим устройством. Например, проходы ведут через отверстия в оболочке. Проводка некоторого типа будет проходить через отверстия. Например, первый и второй проводники 18, 20 могут выходить из оболочки через проходы 7a-b для соединения с проводкой для питания внешнего устройства, как показано на фиг. 3. Альтернативно, провода извне оболочки проходят через проходы и электрически соединяются с первым и вторым проводниками. Проходы плотно посажены на (подогнаны к) провода, так что газ или жидкость не могут проникнуть через них. Проходы могут быть выполнены имеющими провода или проводники, которые должны проходить через предусмотренные отверстия, когда оболочка расположена на блоке 1 солнечного элемента. Оболочка состоит из верхнего листа 5a и нижнего листа 5b, которые, например, представляют собой клейкие пленки, которые помещаются вместе поверх блока 1 солнечного элемента. Альтернативно, верхний и нижний листы выполнены из гибкого пластика, и края верхнего и нижнего листов скрепляются друг с другом путем плавления пластика. Если провода/проводники уже предусмотрены между листами до скрепления и выступают на краях листов, проходы будут создаваться во время скрепления. Альтернативно, проходы содержат сквозные отверстия в оболочке, выполненные после инкапсуляции блока солнечного элемента. Сквозные отверстия герметизируются после того, как провода/проводники расположены в сквозных отверстиях. Местоположения проходов будут зависеть от положения первого и второго проводников. Число проходов может варьироваться. Имеется по меньшей мере один проход для каждого из первого и второго проводника. Однако также можно иметь множество проходов для каждого из первого и второго проводников.
2
2
2
2
2
Фиг. 4 показывает увеличенный разрез части фотоэлектрического зарядного устройства 200, показанного на фиг. 3. Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 содержит один блок 1 солнечного элемента или блок 1’ солнечного элемента, который описан более подробно со ссылкой на фиг. 1 и 2. Например, светопоглощающий слой 10 содержит окрашенный TiO. Могут использоваться традиционные красители, известные в данной области техники. Краситель выбирается для обеспечения хорошего КПД солнечного элемента, в особенности в комбинации с проводящей средой на основе меди. Светопоглощающий слой 10 расположен поверх первого проводящего слоя 12. Пористый светопоглощающий слой 10 представляет собой пористый слой TiO, нанесенный на первый проводящий слой 12. Слой TiO содержит частицы TiO, окрашенные путем поглощения молекул красителя на поверхности частиц TiO. Светопоглощающий слой 10 расположен на верхней стороне блока 1 солнечного элемента. Верхняя сторона должна быть обращена к свету, чтобы позволять свету попадать на молекулы красителя рабочего электрода.
Первый проводящий слой 12 находится в прямом электрическом контакте со светопоглощающим слоем 10. В этом примере второй проводящий слой 16 является пористым. Однако, в альтернативном варианте осуществления второй проводящий слой 16 не обязательно должен быть пористым. Например, второй проводящий слой может быть выполнен из металлической фольги. В этом примере пористый изолирующий слой 105 содержит по меньшей мере часть пористой подложки. Пористая подложка обеспечивает электрическую изоляцию между первым проводящим слоем 12 и каталитическим проводящим слоем 106. Первый проводящий слой 12 и каталитический проводящий слой 106 отделены физически и электрически пористой подложкой. Пористость пористой подложки обеспечит возможность ионного транспорта через изолирующий слой 105. Пористость первого проводящего слоя 12 и каталитического проводящего слоя 106 обеспечит возможность ионного транспорта между противоэлектродом и рабочим электродом.
Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 содержит только один-единственный блок 1 солнечного элемента. По меньшей мере первый проводящий слой 12 и пористая подложка непрерывно проходят через весь блок солнечного элемента. Светопоглощающий слой 10 и второй проводящий слой 16 проходят непрерывно по меньшей мере через основную часть блока солнечного элемента.
-
-
-
-
2+
+
3
3
2
Блок 1 солнечного элемента заполняется электролитом для переноса зарядов между противоэлектродом и светопоглощающим слоем 10. Электролит представляет собой, например, традиционный I/I электролит или аналогичный электролит, или электролит на основе меди (Cu), или электролит на основе комплексных соединений кобальта (Co). Электролит содержит ионы, например, йодид-ионы (I) и трийодид-ионы (I) или ионы меди (Cu и Cu). Солнечный свет собирается красителем, вырабатывая фото-возбужденные электроны, которые инжектируются в проводящую полосу частиц TiO и далее собираются первым проводящим слоем. В то же время ионы в электролите транспортируют электроны из второго проводящего слоя в светопоглощающий слой 10. Первый проводник 18 собирает электроны из первого проводящего слоя, а второй проводник предоставляет электроны во второй проводящий слой, так что блок солнечного элемента может непрерывно вырабатывать мощность из входящих фотонов.
Электролит проникает в поры светопоглощающего слоя 10, первого проводящего слоя 12, пористого изолирующего слоя 105, второго проводящего слоя 16 и каталитического проводящего слоя 106, позволяя ионам переноситься между светопоглощающим слоем 10 и вторым проводящим слоем 16 и за счет этого переносить электроны из рабочего электрода в светопоглощающий слой.
Существует множество красителей, которые могут использоваться, и в соответствии с некоторыми аспектами, краситель содержит триариламиновый органический краситель, содержащий любой из или смесь красителей в классе донор-π мостик-акцептор (D-π-A) и в классе донор-акцептор-π мостик-акцептор (D-A-π-A). Такие красители дают хороший КПД солнечного элемента, в особенности в комбинации с проводящей средой на основе меди. К фотосенсибилизаторам первого класса относятся, например, замещенные (дифениламинофенил)-тиофен-2-цианоакриловые кислоты или замещенные (дифениламинофенил)циклопента-дитиофен-2-цианоакриловые кислоты. Ко второму классу относятся, например, замещенные (((дифениламинофенил)бензотиа-диазолил)-циклопентадитиофенил)арил/гетероарил-2-цианоакриловые кислоты или (((дифенил-аминофенил)-циклопентадитиофенил)бензотиадиазолил)арил/гетероарил-2-цианоакриловые кислоты.
Первый проводник 18 электрически соединен с первым проводящим слоем 12, а второй проводник 20 электрически соединен со вторым проводящим слоем 16. Например, первый и второй проводники выполнены из металла для достижения высокой электрической проводимости.
Оболочка 5 содержит верхний лист 5a, покрывающий верхнюю сторону блока 1 солнечного элемента, и нижний лист 5b, покрывающий нижнюю сторону блока солнечного элемента. Оболочка 5 заключает в себя блок солнечного элемента и электролит и действует как гидравлический барьер для электролита и препятствует утечке электролита из фотоэлектрического зарядного устройства 200. Верхний лист 5a является прозрачным, или по меньшей мере часть, покрывающая активную площадь блока 1 солнечного элемента, является прозрачной. Верхний лист 5a на верхней стороне блока солнечного элемента покрывает светопоглощающий слой 10 и позволяет свету проходить через него. Верхний и нижний листы 5a-b выполнены, например, из полимерного материала. Полимерный материал является прочным и устойчивым к воздействиям и гибким. Верхний и нижний листы 5a-b герметизированы на краях, чтобы защитить блок солнечного элемента от окружающей атмосферы и предотвратить испарение или утечку электролита из внутреннего пространства блока солнечного элемента.
2
2
3
В одном примере пористая подложка представляет собой лист, содержащий волокно из тканых микроволокон. Микроволокно представляет собой волокно, имеющее диаметр менее 10 мкм и более 1 нм. Полотно из тканых микроволокон может быть выполнено очень тонким и механически очень прочным. Полотно из тканых микроволокон содержит отверстия между ткаными нитями. Пористая подложка может дополнительно содержать один или более слоев из нетканых микроволокон, расположенных на тканых микроволокнах, чтобы по меньшей мере частично блокировать отверстия между нитями. Дополнительно, нетканый слой обеспечивает ровную поверхность на подложке, подходящую для нанесения ровного проводящего слоя на подложку путем печати. Подложка выполнена, например, из стекла, оксида кремния (SiO), оксида алюминия (AlO), алюмосиликата или кварца. Соответственно, нетканое и тканое микроволокна пористой подложки выполнены из стекловолокон, что обеспечивает прочную и гибкую подложку. Толщина полотна из тканых микроволокон составляет соответственно от 4 мкм до 30 мкм, предпочтительно от 4 мкм до 20 мкм, чтобы обеспечивать требуемую механическую прочность, в то же время она является достаточно тонкой для обеспечения возможности быстрой транспортировки ионов между противоэлектродом и рабочим электродом.
2
В одном аспекте светопоглощающий слой 10 и первый проводящий слой 12 являются непрозрачными. В этом примере верхняя поверхность блока 1 солнечного элемента является однородно черной, как показано на фиг. 3. TiO светопоглощающего слоя является черным. Отсутствуют проводники, проходящие по поверхности блока 1 солнечного элемента, как это имеет место в панелях солнечных элементов предшествующего уровня техники. Это объясняется тем, что фотоэлектрическое зарядное устройство 200 содержит только один-единственный блок солнечного элемента, а не множество последовательно соединенных блоков солнечных элементов, как в солнечных панелях, используемых в фотоэлектрических зарядных устройствах предшествующего уровня техники.
2
2
Размер блока солнечного элемента, т.е. длина и ширина блока солнечного элемента, может изменяться в зависимости от того, для зарядки какого устройства он предназначается. Соответственно, активная площадь блока солнечного элемента может изменяться в зависимости от требуемой мощности устройства, подлежащего зарядке. Отсутствуют ограничения по возможной форме и размеру блока солнечного элемента. Например, размер блока солнечного элемента может изменяться от 1×1 см с активной площадью 1 см до 1×1 м с активной площадью 1 м. Отсутствует верхний предел длины и ширины блока солнечного элемента. Однако блок солнечного элемента более 1×1 м может стать громоздким для обработки при изготовлении блока солнечного элемента.
Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 включает в себя единственный блок 1 солнечного элемента и повышающий преобразователь 22, электрически соединенный с первым и вторым проводниками 18, 20. Повышающий преобразователь, также называемый повышающим регулятором, представляет собой преобразователь мощности постоянного тока в постоянный ток, который повышает напряжение при понижении тока с его входа на выход. Напряжение, вырабатываемое единственным блоком солнечного элемента, является слишком низким для зарядки определенных типов батарей, например, литиевых батарей, которые требуют по меньшей мере 3,6 В. Повышающий преобразователь приспособлен, чтобы повышать напряжение из блока 1 солнечного элемента при понижении тока из блока солнечного элемента. Требуемый уровень напряжения достигается путем подключения повышающего преобразователя к единственному блоку солнечного элемента. Таким образом, можно обеспечить фотоэлектрическое зарядное устройство, имеющее только один-единственный блок солнечного элемента, способный заряжать батареи, которые требуют разных уровней напряжения.
Фотоэлектрическое зарядное устройство 200 содержит соединительные элементы 3, 4 для соединения фотоэлектрического зарядного устройства с батареей электронного устройства, которую оно заряжает. Повышающий преобразователь 22 содержит входные выводы, электрически соединенные с первым и вторым проводниками 18, 20, и выходные выводы, электрически соединенные с соединительными элементами 3, 4.
Уровень генерируемого напряжения зависит от ионов в электролите. Например, если электролит содержит ионы меди, блок солнечного элемента генерирует напряжение примерно 1 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс, и если электролит содержит йодид- и трийодид-ионы, блок солнечного элемента генерирует напряжение примерно 0,65 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Однако, блок 1 солнечного элемента генерирует напряжение, изменяющееся максимум на 0,4 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется между 200 и 20000 люкс. Требование преобразования напряжения повышающего преобразователя зависит от требуемого напряжения перезаряжаемой батареи. Большинство типов перезаряжаемых батарей, используемых для электронных устройств для потребительских применений, требуют напряжение от 1 до 10 В. Повышающий преобразователь позволяет генерировать стабильное напряжение на уровне, требуемом перезаряжаемой батареей. Предпочтительно, повышающий преобразователь 22 способен преобразовывать выходные напряжение и ток из блока солнечного элемента в уровень напряжения, который составляет от 1 до 10 В. Разные повышающие преобразователи могут использоваться в зависимости от требуемого выходного напряжения. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство способно заряжать батареи, используемые для множества типов электронных устройств, такие как литиевые батареи (3,6 В), NiCd и NiMH батареи (1,25 В).
2
2
Испытания показали, что блок солнечного элемента способен вырабатывать ток по меньшей мере 15 мкА/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс, и ток по меньшей мере 1500 мкА/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Таким образом, блок солнечного элемента способен вырабатывать достаточно мощности для зарядки батарей электронных устройств в широком диапазоне интенсивностей света.
В соответствии с некоторыми аспектами, по меньшей мере первый проводящий слой 12 и пористая подложка 114 непрерывно проходят через весь блок 1 солнечного элемента. Светопоглощающий слой 10 и второй проводящий слой 16 проходят непрерывно по меньшей мере через основную часть блока солнечного элемента.
2
Измерения сгенерированной мощности на площадь для разных условий освещения были выполнены на примере фотоэлектрического зарядного устройства по изобретению, включающего в себя один-единственный блок 1 солнечного элемента. В этом примере блок 1 солнечного элемента имеет размер 14,5×23,4 см и активную площадь 340 см. Электролит блока 1 солнечного элемента содержит йодид- и трийодид-ионы, и первый и второй проводящие слои выполнены из титана (Ti). Ненагруженное фотоэлектрическое зарядное устройство подвергается воздействию света от 200 до 20000 люкс (люмен на квадратный метр), и измеряются выходное напряжение и выходной ток от фотоэлектрического зарядного устройства. Результаты измерений показаны в таблице 1 ниже. Общая сгенерированная мощность определяется на основе измеренных тока и напряжения, и сгенерированная мощность на площадь определяется путем деления общей мощности на активную площадь блока солнечного элемента.
-
-
3
Таблица 1. Измерения сгенерированной мощности на активную площадь, тока на активную площадь, напряжения и коэффициентов заполнения (ff) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс для блока 1 солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий йодид-ионы (I) и трийодид-ионы (I). Содержание трийодида составляет от 1 мМ до 20 мМ. Йодид работает как окислитель, а трийодид работает как восстановитель.
Люкс
мкВт/см<sup>2</sup>
Isc (мкА/см<sup>2</sup>)
Voc (мВ)
ff (%)
200
6,2
18
483
72
500
18
44
521
77
1000
37
90
542
76
2000
80
179
565
79
3000
123
266
576
80
5000
208
445
591
79
6000
249
531
600
78
10000
405
880
614
75
20000
730
1700
650
69
Измерения рабочих характеристик блока 1 солнечного элемента при разных интенсивностях света (освещенностях) (интенсивности измеряются в люксах) могут выполняться путём облучения светом блока солнечного элемента и одновременного сканирования приложенного электрического напряжения по блоку солнечного элемента, чтобы измерить и получить вольтамперную характеристику солнечного элемента. Измерения выполнялись с использованием теплого белого светодиода в качестве источника света.
Полученная кривая IV при освещении обеспечивает информацию о напряжении разомкнутой цепи, токе короткого замыкания, коэффициенте заполнения, мощности и КПД преобразования мощности. Путем получения кривых IV при разных интенсивностях света, возможно собрать информацию о зависимости интенсивности света от напряжения разомкнутой цепи, тока короткого замыкания, коэффициента заполнения (отношение максимальной получаемой мощности к произведению напряжения разомкнутой цепи и тока короткого замыкания), мощности и эффективности (КПД) преобразования мощности, соответственно.
2
2
Результат из таблицы 1 получают по измерениям на образце блока 1 солнечного элемента. Измерения на разных блоках солнечного элемента этого типа могут варьироваться. Например, генерируемая мощность на площадь может составлять от 5 мкВт/см до 8 мкВт/см.
Источник света, используемый для облучения светом солнечного элемента, может изменяться в зависимости от применения солнечного элемента. Для применений в помещении может быть полезным использовать электрические лампы дневного света или внутреннее светодиодное освещение. Для применений солнечного элемента, которые используют внешнее освещение, может быть полезным облучать солнечный элемент светом с использованием имитатора солнечного излучения для генерирования искусственного солнечного света.
Интенсивность света источника света можно измерить разными способами, например, с использованием люксметра или спектрорадиометра, расположенного в том же самом положении, что и блок солнечного элемента относительно источника света. В этом случае интенсивность света измерялась с использованием люксметра.
2
2
2
2
2
2
2
2
Таблица 1 показывает определенную мощность в микроваттах на квадратный сантиметр (мкВт/см) для разных интенсивностей света, измеренных в люксах. Как видно из таблицы, блок 1 солнечного элемента генерирует 6,2 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 200 люкс, генерирует 208 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 5000 люкс, и генерирует 730 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 20000 люкс. Это показывает, что фотоэлектрическое зарядное устройство способно вырабатывать более 5 мкВт/см и даже более 5,5 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 200 люкс. Это также показывает, что фотоэлектрическое зарядное устройство способно вырабатывать более 700 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет 20000 люкс. Таким образом, блок 1 солнечного элемента по меньшей мере способен вырабатывать от 5,5 до 700 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, составляет от 200 до 20 000 люкс. Мощность, вырабатываемая фотоэлектрическим зарядным устройством, повышается по существу линейно, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, повышается от 200 до 20000 люкс. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство способно вырабатывать мощность в широком диапазоне разных условий освещения.
Фиг. 5 показывает диаграмму сгенерированного напряжения (мВ) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс на основе измеренных значений по таблице 1. Как видно из диаграммы и таблицы 1, блок 1 солнечного элемента способен генерировать напряжение 480 мВ в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 200 люкс. Дополнительно, фотоэлектрическое зарядное устройство 200 способно генерировать напряжение 650 мВ в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 20000 люкс. Как видно из диаграммы, повышение сгенерированного напряжения является наибольшим между 200 и 3000 люкс. Сгенерированное напряжение является по существу линейным между 3000 и 20000 люкс. Как видно из таблицы 1, разница в сгенерированном напряжении между 200 и 20000 люкс составляет только 167 мВ. Таким образом, блок 1 солнечного элемента генерирует напряжение, изменяющееся менее чем на 0,2 В в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется от 200 до 20000 люкс. Соответственно, разница в сгенерированном напряжении между 200 и 20000 люкс составляет примерно 35%.
2
Фиг. 6 показывает диаграмму сгенерированного тока (мкА/см) для интенсивностей света от 200 до 20 000 люкс на основе измеренных значений по таблице 1. Как видно из фигуры, ток возрастает линейно.
2
Фиг. 7 показывает диаграмму сгенерированной мощности на площадь (мкВт/см) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс, вычисленной на основе измеренных значений напряжения и тока по таблице 1. Как видно из диаграммы, измеренная мощность по существу пропорциональна интенсивности входящего света в интервале 200-20000 люкс.
+
2+
Дополнительные измерения сгенерированной мощности на площадь для разных условий освещения были произведены на другом примере фотоэлектрического зарядного устройства по изобретению. В этом примере электролит блока 1 солнечного элемента содержит ионы меди (Cu и Cu), что является единственным отличием между подвергаемыми измерению фотоэлектрическими зарядными устройствами. Условия измерения были теми же самыми. Незагруженное фотоэлектрическое зарядное устройство 200 подвергается воздействию света от 200 до 20000 люкс (люмен на квадратный метр), и измеряется выходное напряжение и выходной ток от фотоэлектрического зарядного устройства. Результат измерений показан в таблице 2 ниже.
+
2+
Таблица 2. Измерения сгенерированной мощности на активную площадь, тока на активную площадь, напряжения и коэффициента заполнения (ff) для интенсивностей света от 200 до 20000 люкс для блока 1 солнечного элемента, имеющего электролит, содержащий ионы меди; Cuв качестве восстановителя и Cu в качестве окислителя.
Люкс
мкВт/см<sup>2</sup>
Isc (мкА/см<sup>2</sup>)
Voc (мВ)
ff (%)
0
0
0
0
0
200
12,8
25
699
72,7
500
38
67
762
74,3
1000
85,4
140
800
76,1
2000
186
290
835
77,1
5000
498
737
881
76,6
10000
1020
1490
915
75,1
20000
2020
2960
943
72,3
30000
2920
4390
954
69,7
40000
3720
5750
958
67,6
50000
4410
7000
958
65,8
2
2
2
2
2
Как видно из таблицы 2, блок 1 солнечного элемента генерирует 12,8 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 200 люкс, генерирует 498 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 5000 люкс, и генерирует 2020 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 20000 люкс. Это показывает, что это фотоэлектрическое зарядное устройство 200 способно вырабатывать более 12 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем 10, составляет 200 люкс. Это также показывает, что фотоэлектрическое зарядное устройство 200 способно вырабатывать более 2000 мкВт/см, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем 10, составляет 20000 люкс. Мощность, вырабатываемая фотоэлектрическим зарядным устройством, повышается по существу линейно, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, повышается с 200 до 20000 люкс. Таким образом, фотоэлектрическое зарядное устройство 200 способно вырабатывать мощность в широком диапазоне разных условий освещения.
Фиг. 8 показывает диаграмму сгенерированного напряжения (мВ) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс на основе измеренных значений по таблице 2. Как видно из диаграммы и таблицы 2, блок 1 солнечного элемента способен генерировать напряжение 699 мВ в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 200 люкс. Дополнительно, фотоэлектрическое зарядное устройство 200 способно генерировать напряжение 943 мВ в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого блоком 1 солнечного элемента, составляет 20000 люкс. Как видно из диаграммы, сгенерированное напряжение является по существу линейным между 3000 и 50000 люкс. Как видно из таблицы 2, разница в сгенерированном напряжении между 200 и 20000 люкс составляет всего 244 мВ. Соответственно, разница в сгенерированном напряжении между 200 и 20000 люкс составляет примерно 35%. Разница в сгенерированном напряжении между 200 и 50000 люкс составляет всего 259 мВ. Таким образом, блок 1 солнечного элемента генерирует напряжение, изменяющееся менее чем на 300 мВ в разомкнутой цепи, когда интенсивность света, принимаемого светопоглощающим слоем, изменяется между 200 и 50000 люкс. Соответственно, разница в сгенерированном напряжении между 200 и 50000 люкс составляет примерно 37%.
2
Фиг. 9 показывает диаграмму сгенерированного тока (мкА/см) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс на основе измеренных значений по таблице 2. Как видно из фигуры, ток повышается линейно.
2
Фиг. 10 показывает диаграмму сгенерированной мощности на площадь (мкВт/см) для интенсивностей света от 200 до 50000 люкс, вычисленной на основе измеренных значений напряжения и тока по таблице 1. Как видно из диаграммы, измеренная мощность по существу пропорциональна интенсивности входящего света в интервале 200-20000 люкс.
Настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, но может изменяться и модифицироваться в пределах объема следующей формулы изобретения. Например, второй проводящий слой 16 может быть исключен. Исключение второго проводящего слоя может уменьшить диапазон различных условий освещения, при которых блок солнечного элемента может вырабатывать достаточно мощности для питания устройства. Однако, в некоторых применениях условия освещения не изменяются так сильно, и достаточно блока солнечного элемента, способного вырабатывать мощность в меньшем диапазоне.