专利名称：一种松树形太阳能电池景观树的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能光伏领域，具体涉及一种松树形太阳电池景观树。
背景技术：
太阳能是新能源开发利用最活跃的领域，太阳能利用的重要途径之一是研发太阳能电池。传统的太阳能电池(包括硅太阳电池、薄膜太阳电池、有机太阳电池和染料敏化太阳电池)一般采用平面结构，尽管科学家一直致力于提高平板太阳能电池的效率，但平板太阳能电池具有自身无法克服的缺点，如不能在狭小的空间内使用，占地面积较大；对太阳能入射角的依赖性较强，太阳光的利用率低等。因此，要想充分利用清洁的太阳能来缓解能源危机，如何解决太阳能电池的大量占地面积和使用空间，以及提高其对太阳光的利用率是一个至关重要的问题。
目前，各类新型的太阳电池也不断被报道，如邹德春教授等发明了纤维状可编织染料敏化太阳能电池[[i]]，王中林教授等报道了光纤基三维染料敏化太阳能电池[[ii]]。我们注意到自然界中雪松树采取了立体采光式的针叶结构来有效利用太阳光，受到大自然的启发，我们研制了针状染料敏化太阳能电池[[iii]]。另外，我们也发现雪松树有合理的叶序排列，针叶的立体采光结构可以从空间各个方向吸光，并且对太阳光方位角和遮阴不敏感。针叶的半个侧圆柱面可以接收太阳光，而背面的侧圆柱面又可以吸收周围环境中的散射光和漫反射光，实现了对太阳能最合理的利用。雪松树的构造对研制新型的太阳能电池起到了有益的借鉴作用(如图I所示)。如果将松叶状太阳电池并联成松叶叶序结构，进而将每组并联电池进一步并连成松枝，最后就可以组装成挂满了很多松叶状太阳能电池的“人造松树”，则在全天内都可以从空间各个方向采光，从而实现松叶状太阳能电池在立体结构上的“可编织”。本发明提出一种松树形太阳电池景观树，解决了平板电池对太阳光的利用率低和占地面积较大的缺点，并且制作工艺简单，成本低，有利于太阳能电池的大面积商业化应用，同时也可以在室外作为一种美化环境的景观树。
发明内容
针对平板太阳能电池所存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种松树形太阳能电池景观树。该太阳能电池树一方面可以从周围各个方向上采光，实现立体结构上的“可编织”；另一方面可在相同的面积上增加对空间的有效采光面积从而提高了太阳光的利用率，节约太阳能电池的占地面积；同时也可以在室外作为一种美化环境的景观树。本发明提供的一种松树形太阳能电池景观树，包括树干、树枝、树叶三部分，三部分之间用高分子橡胶密封或使用预留接口连接；其中，所述树干为硬质塑料包裹的铜线，所述树枝为软质塑料包裹的铜线，树枝为4 15根，所述树叶为透明玻璃管或塑料管封装的染料敏化太阳能电池，长约3. 5 4. 5cm。所述树枝上染料敏化太阳能电池总共为20 60块，所述树叶上染料敏化太阳能电池相互并联，所述不同树枝间染料敏化太阳能电池相互并联。本发明中，所述松树形太阳能电池景观树的树枝上连接塑料花朵。本发明中，所述树叶中使用的染料敏化太阳能电池，由工作电极、对电极和电解液组成，所述工作电极、对电极平行置于透明玻璃管或塑料管；其中，所述工作电极包括丝状导电基底I和包覆在其外面的半导体薄膜2，所述丝状导电基底I采用金属丝或导电纤维，优选钛、镍、不锈钢、导电碳纤维，直径为O. 2~0. 4mm ;所述半导体薄膜2为TiO2或ZnO，厚度为10~20μπι。工作电极是利用阳极氧化，涂覆、提拉或喷雾等方法将其包覆在导电基底外表面，之后将其烧结，然后置于染料中敏化获得的。所述对电极3是起催化和电子传输作用的钼丝、镍丝、铜丝或金丝，或负载了钼、镍等的金属丝或导电纤维。所述电解液4采用具有氧化还原作用的I2和/T溶液，或者固态空穴传输材料CuI或CuSCN (图2)。使用时，将导电率好的导线(如铜线)分别与本发明松树形太阳电池树的正负电极焊接或导电浆料粘接后引出，接入负载，即可在光照下工作。或者将光转化得到的电能储存在蓄电池中，即可在没有光照的情况下使用。 本发明松树形染料敏化太阳能电池的工作原理是当光线照射到松叶状染料敏化太阳能电池光阳极上的敏化染料后，产生光生电子-空穴对，然后通过TiO2分离，I离子被空穴氧化为If离子，电子被导电基底收集并沿外电路传导到对电极，然后回到电解液中，又将电解液中的13_还原为Γ离子，从而完成循环，这样就可以得到一定的输出电流和电压。通过松叶状染料敏化太阳能电池的串并联成松树形状，就可以得到较高的输出功率。本发明松树形太阳能电池景观树可以从空间各个方向采光，提高了太阳光的利用效率，克服了平板太阳能电池大面积应用过程中占地面积较大的缺点，制作工艺要简单，实现了染料敏化太阳能电池在立体结构上的有序“可编织”。同时该太阳能电池树可在室外作为一种美化环境的景观树。采用成本低耐腐蚀且导电性较好的金属丝或导电纤维作为导电基底，塑料作为绝缘层，有利于大面积商业化应用。本发明松树形太阳能电池景观树构造不仅适用于染料敏化太阳电池，同时也适用于其它所有太阳能电池，如硅太阳能电池，薄膜太阳电池和有机太阳电池等。
图I自然界中松树的有序立体吸光结构；
图2本发明中松叶状染料敏化太阳能电池结构示意 图3本发明中松树形染料敏化太阳能电池景观树结构示意 图4本发明实施例I制备的并联3块松叶状染料敏化太阳能电池的树枝的电流-电压曲线；
图5本发明实施例2制备的并联6块松叶状染料敏化太阳能电池的树枝的电流-电压曲线；
图6由本发明实施例3制备的固态松树形太阳能电池树的电流-电压曲线。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的说明。本发明公开了一种松树形太阳能电池景观树，包括树干5、树枝6、树叶7三部分，三部分之间用高分子橡胶密封或使用预留接口连接；其中，树干5为硬质塑料包裹的铜线，树枝6为软质塑料包裹的铜线，树枝6为4 15根，树叶7为透明玻璃管或染料敏化太阳能电池，每根树枝6上染料敏化太阳能电池为3 6块，所述树叶7上染料敏化太阳能电池的连接方式为并联，所述不同树枝6间染料敏化太阳能电池的连接方式为并联。如图3所示，分别用硬质塑料和软质塑料包覆导电率好的导线(如铜线)作为松树的树干5和树枝6，松叶状太阳能电池作为树叶7，将导线分别与松树状太阳能电池的正负电极和塑料花插入松树树枝6上预留的接口或利用焊接或导电浆料粘接后，用导线引出并联后，接入负载，即可在光照下工作。或者将光转化得到的电能储存在蓄电池中，即可在没有光照的情况下使用。实施例I将用抛光液(V (去离子水):V (HNO3) : V (HF) =5:4:1)预处理后的Ti丝作为阳极，石墨片作为阴极，利用直流稳压电源控制电压60V，含O. 6wt%3. 5v% H2O的150ml乙二醇溶
液作为电解液，在室温及磁力搅拌下阳极氧化I小时，即可在Ti丝表面包覆一层TiO2纳米管薄膜。将阳极氧化后的Ti丝(O. 2、. 4 mm)在450°C下，热处理2小时。冷却至室温后，用O. 2M 11(14在601下水浴处理I小时，然后在450°C下热处理30min，自然冷却至80°C，放入O. 5 mM N719染料的无水乙醇溶液中敏化过夜，即可得到敏化TiO2纳米管薄膜。将导电碳纤维(直径为O. 4_)依次用去离子水、无水乙醇和丙酮超声清洗5分钟，然后将其浸于IOmM氯钼酸的乙醇溶液中过夜，最后在385°C下烧结20分钟，即可得到负载钼的导电碳纤维对电极。钼纳米颗粒均匀地负载在导电碳纤维上，直径为2f43nm[3b]。将敏化纳米TiO2纳米管和负载钼的导电碳纤维平行置于透明玻璃管中，然后用硅橡胶封装。待绝缘胶室温固化后，用微型注射器注射含有O. I M的Lil，O. 05 M的12，和
O.5M的4-叔丁基吡啶O. IM的N-甲基苯并咪唑，O. IM的硫氰酸胍的3-甲氧基丙腈溶液。然后再用硅橡胶封住注射孔，即可得到长约4cm松叶状染料敏化太阳能电池。重复以上实验操作，即可得到多块长约4cm松叶状染料敏化太阳能电池。松树的树干和15根树枝分别用硬质塑料和软质塑料包覆导电率好的铜线制作。将松叶状染料敏化太阳能电池正负电极和塑料花插入树枝上预留的接口，用导电胶粘结至导线上，即可组装得到染料敏化太阳能电池树。本发明制得的太阳能电池树，每根树枝上并联3块松叶状电池，在AMl. 5太阳光照射下测试电流电压J-V曲线如图4所示，开路电压=0. 77V，短路电流密度=6. 73mA. cm_2，填充因子=0. 47，电池效率=2. 41%。将15根上述树枝并联组装成松树形染料敏化太阳能电池树，可以得到的功率为25 27mW。实施例2
将用抛光液(V(去离子水)=V(HNO3) :V(HF)=5:4:1)预处理后的Ti丝作为阳极，石墨片作为阴极，利用直流稳压电源控制电压60V，含O. 6wt% NH4F和3. 5v% H2O的150ml乙二醇溶液作为电解液，在室温及磁力搅拌下阳极氧化I小时，即可在Ti丝表面包覆一层TiO2纳米管薄膜。将阳极氧化后的Ti丝(O. 2、. 4 mm)在450°C下，热处理2小时。自然冷却至80°C,放入O. 5 mM N719染料的无水乙醇溶液中敏化过夜，即可得到敏化TiO2纳米管薄膜。对电极和松叶状太阳能电池的制备过程如实施例I.
松树的树干和10根树枝分别用硬质塑料和软质塑料包覆导电率好的铜线制作。将松叶状染料敏化太阳能电池正负电极和塑料花插入树枝上预留的接口，用导电胶粘结至导线上，即可组装得到染料敏化太阳能电池树。本发明制得的太阳能电池树，每根树枝上并联6块松叶状染料敏化太阳能电池，在AMl. 5太阳光照射下测试电流电压J-V曲线如图5所示，开路电压=0. 64V，短路电流密度=5. 23mA. cnT2，填充因子=0. 43，电池效率=1. 4%。将10根上述树枝并联组装成松树形染料敏化太阳能电池树，可以得到的功率为l(Tl3mW。实施例3
染料敏化TiO2纳米管薄膜的制备过程如实施例I。将外表面包覆了染料敏化TiO2纳米管薄膜的Ti丝作为工作电极，钼片作为对电极，利用电化学工作站控制恒电流O. 0002A,将O. IM CuS04，0. 2M柠檬酸，O. 2M KSCN和去离子水均匀混和作为电解液，室温磁力搅拌下电化学沉积1800s。即可在染料敏化TiO2纳米管薄膜表面沉积一层透明CuSCN薄膜。N2气流中吹干后将其与负载钼的导电碳纤维平行放入透明玻璃管中，用硅橡胶密封，即可得到长约4cm固态松叶状染料敏化太阳能电池。松树的树干和4根树枝分别用硬质塑料和软质塑料包覆导电率好的铜线制作。将固态松叶状染料敏化太阳能电池正负电极和塑料花插入树枝上预留的接口，用导电胶粘结·至导线上，即可组装得到固态染料敏化太阳能电池树。本发明固态松叶状染料敏化太阳能电池，在AMl. 5太阳光照射下测试电流电压J-V曲线如图6所示，能量转化效率为O. 004%。将5块固态松叶状染料敏化太阳能电池并联在树枝上，并将4根上述树枝并联组装成松树形固态染料敏化太阳能电池树，可以得到的功率为1.82X10—2 mW。参考文献
[[i]]Fan, X. ; Chu, Z. Z. ; Wang, F. Z. ; Zhang, C. ; Chen, L. ; Chen, Y. ; Tang,Y. W. ; Zouj D. C. Adv. Mater.，2008，20，592.
[[ii]]Weintraubj B. ; Weij Y. G. ; Wang, Z. L Angew. Chem. Int. Ed.，2009，48，I.
[[iii]]a,崔晓莉，孙明轩，一种针状染料敏化太阳能电池，国家发明专利，申请号201210189537.8 ;b，Sun，Μ. X. ; Cuij X. L J. Power Sources., revised。
权利要求
1.一种松树形太阳能电池景观树，其特征在于包括树干、树枝、树叶三部分，三部分之间用高分子橡胶密封或使用预留接口连接；其中，所述树干为硬质塑料包裹的铜线，所述树枝为软质塑料包裹的铜线，树枝为4 15根，所述树叶为透明玻璃管或塑料管封装的染料敏化太阳能电池，所述树枝上染料敏化太阳能电池总共为20 60块，其电池相互并联，所述不同树枝间染料敏化太阳能电池相互并联。
2.根据权利要求I所述的松树形太阳能电池景观树，其特征在于所述松树形太阳能电池景观树的树枝上连接塑料花朵。
3.根据权利要求I所述的松树形太阳能电池景观树，其特征在于所述树叶中使用的染料敏化太阳能电池，由工作电极、对电极和电解液组成，所述工作电极、所述对电极平行置于透明玻璃管或塑料管；其中，所述工作电极包括丝状导电基底和包覆在其外面的半导体薄膜，所述丝状导电基底采用金属丝或导电纤维，直径为O. 2 O. 4mm，所述半导体薄膜为TiO2或ZnO，厚度为10 20 μ m ;所述工作电极是利用阳极氧化，涂覆、提拉或喷雾等方法将其包覆在导电基底外表面，之后将其烧结，然后置于染料中敏化获得的；所述对电极是起催化和电子传输作用的钼丝、镍丝、铜丝或金丝，或负载了钼、镍等的金属丝或导电纤维；所述电解液采用具有氧化还原作用的I2和/T溶液，或者固态空穴传输材料CuI或CuSCN。
4.根据权利要求3所述的松树形太阳能电池景观树，其特征在于所述工作电极中使用的丝状导电基底为钛、镍、不锈钢或导电碳纤维中任一种。
5.根据权利要求I所述的松树形太阳能电池景观树，其特征在于所述树叶为3.5 .4.5cm。
全文摘要
本发明属于太阳能光伏领域，具体为一种松树形太阳电池景观树。其包括树干、树枝、树叶三部分，三部分之间用高分子橡胶密封或使用预留接口连接；树干为硬质塑料包裹的铜线，树枝为软质塑料包裹的铜线，树叶为透明玻璃管或塑料管封装的染料敏化太阳能电池，其电池相互并联，所述不同树枝间染料敏化太阳能电池相互并联。本发明松树形太阳能电池景观树可以从空间各个方向采光提高了太阳光的利用效率，克服了平板太阳能电池大面积应用过程中占地面积较大的缺点，制作工艺要简单，同时该太阳能电池树可在室外作为一种美化环境的景观树。
文档编号A41G1/00GK102842439SQ201210318009
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者崔晓莉, 孙明轩 申请人:复旦大学