一种水体补氧装置及方法与流程

本发明属于水体养殖领域，特别涉及一种水体补氧装置及方法。

背景技术：

在渔业养殖以及观赏鱼家庭饲养过程中，经常会出现由于水体缺氧，鱼儿出现大面积死亡的现象。解决水体缺氧的办法有许多，最常用的是通过向水体吹气来实现。但是水体吹气的氧气扩散过程十分缓慢，而且水体中通过这种扩散过程的溶解氧含量比例不足1/10，另外这个过程一般需要氧气泵的辅助，存在噪音、触电风险等；另外通过水藻等浮游生物的光合作用可以提供正常情况下月90％的溶解氧，但是过多的浮游生物，在晚上反而存在耗氧量过大，导致水体缺氧量激增的问题，因此需要开发出一种补氧装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种水体补氧装置及方法，该装置及方法具有无噪音、补氧效果好、无触电风险的特点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水体补氧装置，包括太阳能电池板以及位于水体中的氢发生电极、氧发生电极及氧富集罩，其中，太阳能电池板与氢发生电极及氧发生电极相连接，氧富集罩位于氧发生电极的上方。

进一步的，氢发生电极及氧发生电极均为多孔的碳纳米管结构。

进一步的，太阳能电池板通过导线与氢发生电极及氧发生电极相连接。

进一步的，氢发生电极及氧发生电极均为片状结构或者多根棒状结构。

进一步的，太阳能电池板经电压转换器与氢发生电极及氧发生电极相连接。

进一步的，太阳能电池板为无透明电极的钙钛矿太阳能电池；所述无透明电极的钙钛矿太阳能电池包括从下至上依次设置的透明基底、钙钛矿材料活性层和拓扑结构的双电极层。

进一步的，拓扑结构的双电极层包括在钙钛矿材料活性层上设置的若干拓扑结构单元；每个拓扑结构单元包括依次贴合设置的n型导电材料层、电流阻隔层和p型导电材料层。

进一步的，拓扑结构单元之间也设有电流阻隔层。

进一步的，所有n型导电材料层通过第一汇流电极连接汇流为负极；所有p型导电材料层通过第二汇流电极连接汇流为正极。

进一步的，电流阻隔层为空气或者绝缘材料。

进一步的，n型导电材料层的材质为pcbm、sno2或tio2；电流阻隔层为空气、sio2、zro2、pe或pp；p型导电材料层为nio、cu2o、gan、srcuo2、spiro、ptaa、cuscn或pedot：pss。

进一步的，透明基底为工业浮法超白玻璃、石英玻璃或pet树脂。

进一步的，钙钛矿材料活性层的结构为axny3-n；r＝烃基；a＝pb，sn；x，y＝cl，br，i；n为0-3的实数。

进一步的，n型导电材料层的厚度tn＝0.1-2mm；n型导电材料层和p型导电材料层之间的电流阻隔层的厚度ti＝0.001-1mm；p型导电材料层的厚度tp＝0.1-2mm；拓扑结构的双电极层的厚度tf为10nm-100um。

进一步的，所述无透明电极的钙钛矿太阳能电池开压为1.04v，电流密度为23.8ma/cm²，效率为12.3％。

一种水体补氧方法，包括以下步骤：在有光照的环境下，太阳能电池板产生光生电动势，并作用于氢发生电极及氧发生电极上，使得氢发生电极所在区域及氧发生电极所在区域分别产生氢分子及氧分子，该氧分子溶解于水中，实现水体的补氧，氢分子以气态的形式排入大气中，其中，氧发生电极产生的多余氧分子通过氧富集罩进行储备，并在没有光照的时候溶解于水体中，以保证水体中的氧含量。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的水体补氧装置及方法在具体操作时，在有光照的环境下，太阳能电池板产生光生电动势，该光生电动势作用于氢发生电极及氧发生电极上后，从而在氢发生电极所在区域及氧发生电极所在区域分别产生氢分子及氧分子，其中，氧分子溶解于水中，以实现水体的补氧，从而为水体中的生物提供氧环境，氢分子由于溶解度较低，因此最终以气态的形式扩散到大气中，需要说明的是，本发明以光生电动势进行电解方式产生氧，具有无噪音、无触电风险的特点。另外，氧发生电极产生的多余氧通过氧富集罩进行储备，并在晚上或者光照较差的时候溶解于水中，以提高水体的补氧效果，有效的保证水体中的氧含量，可广泛应用于水体养殖及家用观赏鱼饲养等领域。

无透明电极的以钙钛矿钛矿型半导体材料作为活性中心的器件结构，取代传统钙钛矿型薄膜电池的双层电极结构，解决了电池受光面的透明导电电极存在的较高光吸收和较高串联电阻的问题，获得具有高光电流密度、高开路电压的新型钙钛矿型太阳能电池。

太阳能电池板不再使用透明电极，降低成本和提升生产效率；获得更高的光捕获和更高的光电流；降低电池的串联电阻从而提升电池开压，从而提升电池的性能。

附图说明

图1本发明一种水体补氧装置的结构示意图；

图2为无透明电极的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。

图3为拓扑结构的双电极层的结构示意图；

图4为拓扑结构的双电极层的制备过程示意图；

图5为拓扑结构的双电极层的拓扑结构单元示意图；

图6为本发明实施例1制备的无透明电极的钙钛矿太阳能电池与现有具有透明电极的钙钛矿太阳能电池进行am1.5g测试的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述的水体补氧装置包括太阳能电池板1以及位于水体中的氢发生电极3、氧发生电极2及氧富集罩4，其中，太阳能电池板1与氢发生电极3及氧发生电极2相连接，氧富集罩4位于氧发生电极2的上方。

氢发生电极3及氧发生电极2均为多孔的碳纳米管结构；氢发生电极3及氧发生电极2均为片状结构或者多根棒状结构。

本发明还包括蓄电池及充电接口，其中，蓄电池与充电接口、太阳能电池板1、氢发生电极3及氧发生电极2相连接；太阳能电池板1经电压转换器与氢发生电极3及氧发生电极2相连接；太阳能电池板1通过导线5与氢发生电极3及氧发生电极2相连接。

本发明所述的水体补氧方法包括以下步骤：

在有光照的环境下，太阳能电池板1产生光生电动势，并作用于氢发生电极3及氧发生电极2上，使得氢发生电极3所在区域及氧发生电极2所在区域分别产生氢分子及氧分子，该氧分子溶解于水中，以实现水体的补氧，氢分子以气态的形式排入大气中，其中，氧发生电极2产生的多余氧分子通过氧富集罩4进行储备，并在没有光照的时候溶解于水体中，以保证水体中的氧含量。

本发明采用太阳能电池板1提供电能，具有清洁高效、长期稳定工作的特点。在有光照的环境下，太阳能电池板1产生光生电动势，并作用于氢发生电极3及氧发生电极2上，由于电势差的存在，则在氢发生电极3所在区域及氧发生电极2所在区域分别产生氢分子及氧分子，该氧分子溶解于水中，以实现水体的补氧，为水体中的生物提供氧环境，另外，由于氢分子溶解度较小，氢分子形成气态后扩散到大气中。

需要说明的是，本发明中氢发生电极3及氧发生电极2均为多孔的碳纳米管结构，因此氢发生电极3及氧发生电极2具有工作电压低、比表面积大的特点，从而可以为水体中的生物提供稳定的氧环境，另外，本发明还包括氧富集罩4，通过氧富集罩4对过量的氧进行储备，在无光照或者弱光照环境下，氧富集罩4储备的氧溶解到水体中，以提高水体的溶氧量。

所述太阳能电池板1通过若干电池片串并联而成，电池片可以选择单晶硅电池、多晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒电池、碲化镉电池或钙钛矿电池等，优选的为铜铟镓硒电池、碲化镉电池或钙钛矿电池。

太阳能电池板1如果采用传统钙钛矿型薄膜电池的双层电极结构，电池受光面的透明导电电极存在较高光吸收和较高串联电阻，成本高且效率低。

请参阅图2至图5所示，本发明太阳能电池板1优选采用一种无透明电极的钙钛矿太阳能电池，造价更低而且效率更高。所述无透明电极的钙钛矿太阳能电池包括从下至上依次设置的透明基底101、钙钛矿材料活性层102和拓扑结构的双电极层103。

透明基底101为工业浮法超白玻璃、石英玻璃、pet树脂等，面积不限。使用前，将透明基底101依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用。

钙钛矿材料活性层102，结构为(rnh3)axny3-n(r＝烃基；a＝pb，sn；x，y＝cl，br，i；n为0-3的实数)，溶剂为dmf，配成质量分数为20-35％的浆料；旋涂法，取上述浆料10-50ul，旋涂加速度设定0.5s到达设定速度；旋涂速度1000-4000rpm；旋涂温度为室温；涂布后经氮气中120-140℃退火20-40分钟。最终得到的钙钛矿材料活性层102的厚度为300-500nm。

拓扑结构的双电极层103，这里的拓扑结构是指与钙钛矿材料活性层102接触、以及各电极、阻隔层间的相对位置关系保持相对不变的结构；拓扑结构的双电极层103的制备方式有很多种，比如气相沉积、化学沉积、等离子辅助沉积、光刻、印刷、涂布、旋涂等工艺。本发明实例采用旋涂、刻蚀、气相沉积、光刻、气相沉积的方法，成功制备出拓扑结构的双电极层103。

拓扑结构的双电极层103包括在钙钛矿材料活性层102上设置的若干相互贴合的拓扑结构单元，每个拓扑结构单元包括依次贴合设置的n型导电材料层201、电流阻隔层202、p型导电材料层203和电流阻隔层202。n型导电材料层201为pcbm、sno2或tio2，电流阻隔层202为空气、sio2、zro2、pe或pp；p型导电材料层203为nio、cu2o、gan、srcuo2、spiro、ptaa、cuscn或pedot：pss。最后p型导电材料层203通过汇流电极连接汇流为正极；n型导电材料层201通过汇流电极连接汇流为负极。至此形成了完整的无透明电极的钙钛矿太阳能电池。本发明中，电流如何汇流，电池是否存在曲度、甚者角度旋转等并非是本发明的创新点，这些结构的改变对于本领域一般技术人员来讲，能够轻易想到进行变化或替换，其都应涵盖在本发明的保护范围之内。

如图3所示，拓扑结构的双电极层103的制备，包括以下步骤：

第一步，在钙钛矿材料活性层102上旋涂制备pcbm层；

第二步，对pcbm掩版法用等离子体、激光等方法进行刻蚀，精确控制其刻蚀深度至钙钛矿材料活性层102表面；例如采用泵浦固体脉冲红外激光(1064nm)器，10-50khz，功率5-30w，占空比0.05-0.95，线速1000-10000mm/s的参数下，对pcbm进行蚀刻处理，得到具有适宜深度和宽度的待填充域。

第三步，掩版法沉积绝缘层，用激光脉冲沉积、原子层沉积、电子束蒸发沉积或磁控溅射沉积的方法，沉积sio2作为绝缘层；例如，采用电子束蒸发方式，工艺真空度1×10^-3-1×10^-5pa；电子束功率1-10kw，工作距离50-100cm，采用晶振法测量和控制sio2厚度，得到合适的sio2填充域。

第四步，继续采用激光法，刻蚀掉部分sio2；例如，采用泵浦固体脉冲紫外激光(266nm)器，10-200khz，功率5-30w，占空比0.05-0.95，线速度1000-12000ms/s的参数下和特定方向和特定区域下，对sio2进行蚀刻处理，得到新的待填充域。

第五步，采用激光脉冲法沉积p型nio，在第四步刻蚀掉的sio2中沉积出p型nio，形成拓扑结构的双电极层103。例如采用准分子激光(248nm)器，脉冲能量700mj，工艺真空度1×10^-3-1×10^-5pa，频率1-10hz，沉积时间5-60s，得到合适的p型nio填充域。

对应的厚度tn＝0.1-2mm；ti＝0.001-1mm；tp＝0.1-2mm；双电极层厚度tf为10nm-100um。

实施例1

一种无透明电极的钙钛矿太阳能电池，其制备方法，包括以下步骤：

1)将透明基底清洁干净：以面积为1.5x1.5cm²的工业浮法超白玻璃为透明基底101，并对透明基底101依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇各超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用；

2)在透明基底101上制备钙钛矿材料活性层102：使用ch3nh3pbbr3，溶剂为dmf，配成质量分数为30％的浆料；旋涂法，取上述浆料35ul，旋涂加速度设定0.5s到达设定速度；旋涂速度1000rpm；旋涂温度为室温；涂布后经氮气中135℃退火30分钟；得到的钙钛矿材料活性层102的厚度为300nm；

3)在钙钛矿材料活性层102上制备拓扑结构的双电极层103：第一步，在钙钛矿材料活性层102上旋涂制备pcbm层；第二步，对pcbm掩版法用激光进行刻蚀，采用泵浦固体脉冲红外激光(1064nm)器，频率10-50khz，本例优选50khz，功率5-30w，本例优选10w，占空比0.05-0.95，本例优选0.5，线速1000-10000mm/s，本例优选2000mm/s，对pcbm进行蚀刻处理；精确控制其刻蚀深度至钙钛矿材料活性层102表面；第三步，掩版法沉积绝缘层，用激光脉冲沉积的方法，沉积sio2作为绝缘层；第四步，继续采用激光法，刻蚀掉部分sio2；第五步，采用激光脉冲法沉积p型nio，在第四步刻蚀掉的sio2中沉积出p型nio，形成拓扑结构的双电极层103。对应的n型导电材料层201的厚度tn＝0.1mm；n型导电材料层201和p型导电材料层203之间的电流阻隔层的厚度ti＝0.01mm；p型导电材料层203的厚度tp＝0.1mm；拓扑结构的双电极层103的厚度tf为10nm。

实施例2

一种无透明电极的钙钛矿太阳能电池，其制备方法，包括以下步骤：

1)将透明基底清洁干净：以面积为3x3cm²的石英玻璃为透明基底101，并对透明基底101依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇各超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用；

2)在透明基底101上制备钙钛矿材料活性层102：使用ch3nh3pbi3，溶剂为dmf，配成质量分数为35％的浆料；旋涂法，取上述浆料50ul，旋涂加速度设定0.5s到达设定速度；旋涂速度4000rpm；旋涂温度为室温；涂布后经氮气中140℃退火40分钟；得到的钙钛矿材料活性层102的厚度为400nm；

3)在钙钛矿材料活性层102上制备拓扑结构的双电极层103：第一步，在钙钛矿材料活性层102上旋涂制备tio2层；第二步，对tio2掩版法用激光进行刻蚀，采用泵浦固体脉冲紫外激光(355nm)器，频率10-200khz，本例优选100khz，功率5-30w，本例优选10w，占空比0.05-0.95，本例优选0.2，线速度100-12000ms/s，本例优选2000mm/s，在特定区域和方向上，对tio2进行蚀刻处理，精确控制其刻蚀深度至钙钛矿材料活性层102表面；第三步，掩版法沉积绝缘层，用激光脉冲沉积的方法，沉积sio2作为绝缘层；第四步，继续采用激光法，刻蚀掉部分sio2；第五步，采用激光脉冲法沉积p型cu2o，在第四步刻蚀掉的sio2中沉积出p型cu2o，形成拓扑结构的双电极层103。对应的n型导电材料层201的厚度tn＝2mm；n型导电材料层201和p型导电材料层203之间的电流阻隔层的厚度ti＝1mm；p型导电材料层203的厚度tp＝2mm；拓扑结构的双电极层103的厚度tf为100μm。

实施例3

一种无透明电极的钙钛矿太阳能电池，其制备方法，包括以下步骤：

1)将透明基底清洁干净：以面积为2x2cm²的pet树脂为透明基底101，并对透明基底101依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇各超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用；

2)在透明基底101上制备钙钛矿材料活性层102：使用ch3nh3pbbr3，溶剂为dmf，配成质量分数为20％的浆料；旋涂法，取上述浆料20ul，旋涂加速度设定0.5s到达设定速度；旋涂速度2000rpm；旋涂温度为室温；涂布后经氮气中120℃退火20分钟；得到的钙钛矿材料活性层102的厚度为500nm；

3)在钙钛矿材料活性层102上制备拓扑结构的双电极层103：第一步，在钙钛矿材料活性层102上旋涂制备sno2层；第二步，对sno2掩版法用等离子体进行刻蚀，本体真空度1×10^-3-1×10^-5pa，最优的1×10^-5pa；工艺真空度0.1-1pa，最优的0.45pa；工作气体ar，功率10-200w，最优的100w；频率3-50khz，最优的30khz；工作距离5-20cm，最优的10cm；刻蚀时间10-300s，最优的45s；以精确控制其刻蚀深度至钙钛矿材料活性层102表面；第三步，掩版法沉积绝缘层，用激光脉冲沉积的方法，沉积zro2作为绝缘层；第四步，继续采用激光法，刻蚀掉部分zro2；第五步，采用激光脉冲法沉积p型srcuo2，在第四步刻蚀掉的pp中沉积出p型srcuo2，形成拓扑结构的双电极层103。对应的n型导电材料层201的厚度tn＝0.5mm；n型导电材料层201和p型导电材料层203之间的电流阻隔层的厚度ti＝0.6mm；p型导电材料层203的厚度tp＝1mm；拓扑结构的双电极层103的厚度tf为100nm。

请参阅图6所示，经过am1.5g测试，本发明实施例1所制备的无透明电极的钙钛矿太阳能电池，开压为1.04v，电流密度为23.8ma/cm²，效率为12.3％；相对于现有具有透明电极的钙钛矿太阳能电池光电流和开压都有了明显提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以所述权利要求的保护范围为准。