一种复合能源电池装置及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合能源电池装置及其制备方法，尤其是涉及一种同时收集太阳能、风能和雨水能量的复合能源电池装置及其制备方法。
【背景技术】
[0002]当前社会，传统能源的匮乏及其带来的污染等问题，已经引起了人们的高度关注。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的环境友好型能源，是最有前途的新能源之一。太阳能电池利用光电效应或光化学效应将太阳能直接转化为电能，是太阳能利用的最有效形式。目前，太阳能电池已经被成熟的商业化，广泛的应用于屋顶、道路以及空旷而日照充足的地方进行光伏发电，成为我们日常生活不可或缺的一种发电方式。
[0003]生活中，摩擦电和静电现象是一种非常普遍的现象，存在于我们生活中的各个层面，从走路到开车等等。由于它很难被收集和利用，往往是被人们所忽略的一种能源形式。如果能通过一种新的方法收集摩擦产生的电能或者利用该方法将日常生活中不规则的动能转成能够利用的电能，将对人们的日常生活产生重要影响。而摩擦发电机就是近两年发明的一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将广泛存在的机械能，如风能、各种运动物体的动能、以及人体活动如步行、跑动、跳动等形式的能量转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。尤其最近新发现，水与一些材料也可以摩擦起电，这样摩擦发电机就可以捕获自然界中与水相关的能量，例如:水流、海浪、雨水等。
[0004]在实际生产中，为了避免环境的污染和破坏，太阳能电池的表面一般都会被覆盖一层透明的玻璃保护板。在晴天时，太阳能电池可以有效的收集太阳光的能量进行光伏发电，然而在雨天或夜晚时，太阳能电池的发电效率急剧下降甚至消失，这时候的电池板便无法正常工作提供电能。然而，此时环境中还有风、雨等自然界的能量。如何更有效的利用太阳能电池板捕获这些能量，是一个有趣的研宄问题。
[0005]中国专利201310143714.3公开了一种采用纳米摩擦发电机的风力发电和太阳能发电组合系统，该系统包括:风力发电机、太阳能组件和储能装置；风力发电机包括至少一个纳米摩擦发电机；太阳能组件由多个太阳能电池组成，多个太阳能电池以串联或并联方式连接形成太阳能组件的至少两个输出端，其中每个太阳能电池为由半导体材料所形成的PN结式结构的光电转换单元；储能装置与纳米摩擦发电太阳能组件的至少两个输出端相连，用于对纳米摩擦发电机输出的电能和太阳能组件输出的电能进行存储。该专利能实现风能和太能的双重利用，但是其结构组成较为复杂，而且无法实现对自然界中常见的雨水能的利用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时收集太阳能、风能和雨水能量的复合能源电池装置及其制备方法。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种复合能源电池装置，包括太阳能电池板和设置在太阳能电池板上的透明双模摩擦发电机，该透明双模摩擦发电机由接触-分离式摩擦发电机和雨水摩擦发电机组成，所述的接触-分离式摩擦发电机设置在太阳能电池板上，所述的雨水摩擦发电机设置在接触-分离式摩擦发电机上，所述的雨水摩擦发电机与接触-分离式摩擦发电机之间设有透明绝缘层；
[0009]晴天时，复合能源电池装置中的太阳能电池板收集太阳光能量进行光伏发电，同时接触-分离式摩擦发电机收集风能进行摩擦发电；风雨天时，雨水摩擦发电机收集雨水中的静电能进行发电，接触-分离式摩擦发电机收集风与雨水的机械能进行摩擦发电。
[0010]所述的接触-分离式摩擦发电机包括从下到上依次设置在太阳能电池板上的第一透明导电层、第一透明摩擦层、第二透明摩擦层和第二透明导电层，所述的第一透明摩擦层和第二透明摩擦层之间的两端设有透明支撑结构，第一透明导电层和第二透明导电层分别形成接触-分离式摩擦发电机的两个电极；
[0011]风雨天气时，第二透明摩擦层在风或雨水的冲击力的作用下，与第一透明摩擦层相互接触而发生静电感应，当雨水离开接触-分离式摩擦发电机，第二透明摩擦层在自身弹力作用下与第一透明摩擦层分离，第一透明导电层和第二透明导电层之间产生电势差，驱动自由电子通过外电路在第一透明导电层和第二透明导电层之间正向流动，直至电势差为零，随后新一次的雨水冲击时，第一透明摩擦层和第二透明摩擦层重新接触分离，第一透明导电层和第二透明导电层之间产生与前一次相反的电势差，驱动自由电子通过外电路在第一透明导电层和第二透明导电层之间反向流动，直至电势差为零，如此循环往复，接触-分离式摩擦发电机持续向外输出交流电。
[0012]所述的第一透明摩擦层为尼龙摩擦层，所述的第二透明摩擦层的材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或几种，所述的第一透明摩擦层和第二透明摩擦层的厚度为10 μπι?200 μπι ;
[0013]所述的第一透明导电层和第二透明导电层为氧化铟锡透明导电膜ΙΤΟ、掺氟氧化锡透明导电膜FTO或掺铝氧化锌透明导电膜ΑΖΟ，第一透明导电层和第二透明导电层的厚度为 50nm ?10nm ；
[0014]所述的透明支撑结构为透明PET材料，其形状为棒状或细片状，其高度为Imm?5mm ο
[0015]所述的雨水摩擦发电机包括从下到上依次设置在透明绝缘层上的第三透明导电层和第三透明摩擦层，该第三透明摩擦层上设有材质其相同的微纳凹凸结构层，第三透明导电层构成雨水摩擦发电机的单电极，并与地电位或其它能够提供或结构大量电子的等电位电路连接；
[0016]雨水天气时，携带摩擦电荷的雨滴降落到第三透明摩擦层上，产生静电感应，使第三透明导电层与地电位之间产生电势差，从而驱动自由电子在第三透明导电层与地电位之间正向流动，当雨滴在第三透明摩擦层上滑落后，由于静电感应，第三透明导电层与地电位之间产生与之前极性相反的电势差，从而驱动自由电子在第三透明导电层于地电位之间反向流动，如此循环往复，雨水摩擦发电机持续向外输出交流电。
[0017]所述的第三透明导电层为氧化铟锡透明导电膜ITO、掺氟氧化锡透明导电膜FTO或掺铝氧化锌透明导电膜AZO，第三透明导电层的厚度为50nm?10nm ；
[0018]所述的第三透明摩擦层的的材料选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或几种，所述的第三透明摩擦层的厚度为10 μ m ~ 200 μ m ；
[0019]所述的微纳凹凸结构层的结构为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构中的具有超疏水性能的一种或几种的组合阵列，具所述的微纳凹凸结构层的厚度为20nm?20 μπι。
[0020]所述的透明绝缘层的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS，其厚度为10nm?20 μπι。
[0021]一种复合能源电池装置的制备方法，包括以下步骤:
[0022](a)太阳能电池板制作:将晶体硅衬底的表面用氢氧化钾溶液腐蚀，在晶体硅表面形成能够增强对太阳光捕获和吸收的微纳结构层，然后将晶体硅衬底表面清洗干净，再于1113K温度下，通过POCl^f散形成η +发射层，然后在η +发射层上镀上减反射层，形成具有η+-ρ-ρ+结构的PN结太阳能电池，再于473Κ温度下，将铝胶涂覆在PN结太阳能电池下表面形成负电极，并在PN结太阳能电池的上表面刷上银导线，再涂镀上透明ITO层形成正电极，即制得太阳能电池板；
[0023](b)透明双模摩擦发电机制作:分别在第一透明摩擦层下表面镀上第一透明导电层，在第二透明摩擦层上表面镀上第二透明导电层，第一透明摩擦层和第二透明摩擦层之间两端设置透明支撑结构分离隔开，即制得接触-分离式摩擦发电机，然后再将接触-分离式摩擦发电机设置在太阳能电池板上；
[0024]在接触-分离式摩擦发电机的第二透明导电层上旋涂一层透明绝缘层，再于该透明绝缘层上依次镀上第三透明导电层和上表面带有微纳凹凸结构层的第三透明摩擦层，即制得雨水摩擦发电机，将接触-分离式摩擦发电机、雨水摩擦发电机的边界接触处封装固化后，即制得透明双模摩擦发电机；
[0025](C)将制得的透明双模摩擦发电机封装固定在太阳能电池板上，即得到复合能源电池装置。
[0026]步骤(a)中:所述的晶体娃衬底为一层300 μ m厚的单晶P型娃；
[0027]所述的减反射层为一层SOnm厚的氮化硅层，该氮化硅层通过等离子体增强化学溅射镀在晶体硅衬底上；
[0028]所述的银导线呈栅格状，所述的透明ITO层的厚度为300nm，该透明ITO层通过PVD溅射涂镀在整个PN结太阳能电池表面。
[0029]步骤(b)中:所述的第一透明导电层、第二透明导电层和第三透明导电层均通过磁控溅射分别涂镀在第一透明摩擦层下表面、第二透明摩擦层上表面和透明绝缘层上；
[0030]所述的微纳凹凸结构层是通过光刻蚀、化学刻蚀或等离子刻蚀在第三透明摩擦层上制备得到的。
[0031]步骤(b)中:所述的第三透明摩擦层是通过以下方法涂镀在第三透明导电层上的:择取一块铝箔，用压缩空气吹沙粒到该铝箔上，在铝箔表面形成微米结构的孔，将铝箔放入草酸溶液中进行阳极氧化，形成具有纳米结构的氧化铝模板，再将第三透明摩擦层溶液倒在氧化铝模板上，并通过真空抽取溶液中的空气，并让其在空气中自然钝化形成带有微纳凹凸结构层的第三透明摩擦层，然后用双面透明胶带将制备好的第三透明摩擦层从氧化铝模板上揭下，粘在第三透明导电层上，即涂镀完成。
[0032]所述的太阳能电池板除了采用上述所制备的硅太阳能电池板外，还可以采用现有的任意结构的太阳能电池。太阳能电池可以为柔性电池器件，也可以为非柔性电池器件。摩擦发电机可以整体为柔性，特别的，对于太阳能电池为柔性结构的情况，优选透明双模摩擦发电机为柔性，使整个复合能源电池装置成为柔性器件。
[0033]复合能源电池装置中，太阳能电池可以为板状、片状或者阵列状等结构；摩擦发电机的结构只要不影响太阳光的透过，可以为板状，也可以为弧形结构等。
[0034]收集雨水和风力进行摩擦发电的输出虽然微弱，但它不影响太阳能电池的光电转换效率，而是一种非常有益的补充，尤其在雨季日照微弱的情况下，可以辅以收集雨水能量和风能这样的绿色能源。本发明的