一种基于铜锌锡硫太阳电池的光伏储能一体化电源

1.本发明涉及光伏发电技术领域和储能技术领域，具体涉及一种光伏储能一体化电源。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，能源短缺的问题日益凸显。太阳能取之不尽，用之不竭，是理想的可再生能源，但存在分散性、间歇性和随机性等缺点。为了有效地利用太阳能，有学者开发了采用光电转换技术和储能技术相结合的光伏储能一体化电源制备方法。一般的，光伏储能一体化电源以直流电源为核心，根据不同的应用场景与直流电源、电力用交流不间断电源(ups)、电力用逆变电源(inv)、通信用直流变换电源(dc/dc)等相结合，通过控制电路将太阳电池和储能电池简单地连接起来。这种传统的光伏储能一体化电源集成水平低，需要长距离布线和复杂的电路，往往耗材、体积大、不灵活，且光电转换器件和电能储存系统电压、电流、功率、能量、寿命不匹配，因此整体系统效率低、能量损失严重，多应用于无需考虑重量和体积的离网发电系统，不能满足生活中便携式电源的需求。
3.目前，光伏储能一体化电源使用的光电转换器件主要是：硅基太阳电池和有机太阳电池。硅基太阳电池发展最为成熟，具有效率高、稳定性好等一系列优点，在太阳电池产业中占据主导地位，但是在一体化电源中，受限于储能器件的寿命，硅基太阳电池超长的寿命优势无法发挥，同时其成本高、耗材等缺点在一体化电源便携性的要求下被进一步放大，因此不适合用作一体化电源的光电转换器件。有机太阳电池发展迅速，具有省材、成本低等优点，但稳定性和性能衰减的问题尚未解决，这限制了其在一体化电源中的应用。
4.铜锌锡硫太阳电池作为最具有潜力的新型无机薄膜太阳电池，在一体化电源领域具有巨大的研究价值，目前为止，尚没有基于铜锌锡硫一体化电源的相关报道和文章。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于构筑基于铜锌锡硫太阳电池的一体化电源，以克服现有的硅基太阳电池的一体化电源技术耗材昂贵和有机太阳电池一体化电源技术的稳定性差的不足，该电源具有集成度高、流程简单、稳定性好、效率高、可工业化生产的特点。
6.本发明技术方案如下：
7.一种基于铜锌锡硫太阳电池的光伏储能一体化电源，包括光电转换器件、可充电储能系统，二者使用探针和导线直接连接；
8.所述光电转换器件包括多片铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池和玻璃板；其中，铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池为依次复合的钼电极、光吸收层、缓冲层、窗口层、银电极，所述多片铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池集成并串联在一片所述玻璃板上，所述集成采用激光刻蚀的方法，所述串联通过设计l型掩膜板和蒸镀银电极的过程实现；
9.所述可充电储能系统采用固体电极储能电池。
10.优选的，所述固体电极储能电池包括依次复合的负极集流体、负极材料层、电解质
层、正极材料层和正极集流体。
11.优选的，所述的正极集流体与银电极导电连接，所述的负极集流体与钼电极导电连接。
12.优选的，所述固体电极储能电池为锂离子电池和钠离子电池中的至少一种。
13.优选的，所述的正极材料层的材料包括licoo2，limn2o4，lini
x
mnyco
1-x-y
o2，na
3v2
(po4)3中的至少一种，其中0.1≤x≤0.9，0≤y≤0.6，0.1≤x+y≤0.9。
14.优选的，通过控制集成串联的铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池的片数，实现与可充电储能系统的电压匹配。
15.优选的，所述可充电储能系统使用钴酸锂电池时，所述光电转换器件使用11、12、13、14片集成串联的铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池，构筑11-czts-lco，12-czts-lco，13-czts-lco，14-czts-lco一体化电源；所述可充电储能系统使用磷酸钒钠电池时，所述光电转换器件使用10、11、12片集成串联的铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池，构筑10-czts-nvpo，11-czts-nvpo，12-czts-nvpo一体化电源。
16.优选的，所述光吸收层的材料为铜锌锡的硫化物、硒化物或者硫硒化物，所述光吸收层的材料厚度为1600nm。
17.优选的，所述多片铜锌锡硫(硒)薄膜太阳电池的光吸收层采用溶液旋涂法制备。
18.优选的，所述钼电极的材料为mo箔或单侧覆cu的mo箔，所述钼电极的材料厚度为0.5～2μm。
19.优选的，所述缓冲层采用化学水浴沉积法制备，所述缓冲层的材料为cds；
20.进一步的，所述缓冲层的材料厚度为40～100nm。
21.优选的，所述窗口层采用磁控溅射法制备，所述窗口层的材料为i-zno和ito；
22.进一步的，所述窗口层的材料厚度为400～1000nm。
23.优选的，所述的负极材料层的材料为过渡金属的硫化物、过渡金属的氧化物、硅基材料、过渡金属的硒基物中的至少一种；
24.进一步的，所述的负极材料层厚度为7～8μm。
25.优选的，所述的电解质层的材料为液态电解质和固态电解质中的至少一种；
26.进一步的，所述的电解质层的厚度为3.5～5μm。
27.优选的，所述的正极材料层厚度为7～8μm。
28.优选的，所述正极集流体为al集流体；
29.进一步的，所述正极集流体厚度为0.5～2μm。
30.本发明的有益效果为：
31.1、采用激光刻蚀的方法将多片铜锌锡硫(硒)太阳电池集成在一块玻璃板上，使用l型银电极将多片铜锌锡硫(硒)太阳电池串联，各片电池的一致性好，集成串联后光电转换效率高，同时减少了一体化电源光电转换器件的材耗和结构复杂程度。
32.2、一体化电源的光电转换器件(pc)和可充电储能系统(esss)仅使用探针和导线连接，无需控制电路，减小了一体化电源的体积和质量，更加契合一体化电源轻便灵活的要求，在便携式电源等领域具有更大的应用潜力。
33.3、一体化电源的光电转换器件(pc)首次使用铜锌锡硫(硒)太阳电池，相对于基于钙钛矿等有机太阳电池的一体化电源稳定性更高，相对于基于单晶硅等硅基太阳电池的一
体化电源成本更低，实现了能源的高效利用，为可持续发展的微型化薄膜电源提供了设计思路。
34.4、通过选择集成串联的铜锌锡硫(硒)太阳电池片数，调节光电转换器件(pc)的mppt和可充电储能系统(esss)的充电电压范围之间的关系，一体化电源可以实现充电前期大倍率快充、充电后期小倍率缓冲的功能，有利于可充电储能系统(esss)充入更多能量、减小充电时间和防止过充电，提高充电效率以及安全性。
35.5、本发明制备的基于铜锌锡硫太阳电池的一体化电源工艺简单，制备条件温和，可实现大规模工业化生产，也可应用于储能、能量转换或可穿戴柔性器件领域。
附图说明
36.图1为本发明具体实施方式所述光伏储能一体化电源的结构图，其中光电转换器件使用单片铜锌锡硫(硒)太阳电池。
37.图2为本发明具体实施方式所述光伏储能一体化电源的光电转换器件所使用的8片铜锌锡硫(硒)太阳电池集成设计图。
38.图3为本发明具体实施方式所述光伏储能一体化电源的光电转换器件所使用的8片铜锌锡硫(硒)太阳电池蒸银用掩膜板示意图。
39.图4为本发明具体实施方式所述光伏储能一体化电源的光电转换器件所使用的8片铜锌锡硫(硒)太阳电池串联示意图。
40.图5是依照本发明的第一实施例的一种11-czts-lco一体化电源的结构模型图。
41.图6是依照本发明的第二实施例的一种12-czts-lco一体化电源的结构模型图。
42.图7是依照本发明的第三实施例的一种13-czts-lco一体化电源的结构模型图。
43.图8是依照本发明的第四实施例的一种14-czts-lco一体化电源的结构模型图。
44.图9是依照本发明的第五实施例的一种10-czts-nvpo一体化电源的结构模型图。
45.图10是依照本发明的第六实施例的一种11-czts-nvpo一体化电源的结构模型图。
46.图11是依照本发明的第七实施例的一种12-czts-nvpo一体化电源的结构模型图。
47.图12是依照本发明的第八实施例的一种特制10-czts-nvpo一体化电源光充电、1ma恒流放电测试曲线图。
具体实施方式
48.以下实施例旨在对本发明内容做进一步详细说明，而不是对本发明权利要求保护范围的限制。
49.本发明提出的光伏储能一体化电源的结构如图1所示，其光电转换器件使用单片铜锌锡硫(硒)太阳电池，铜锌锡硫(硒)太阳电池从下到上依次为：玻璃基底/mo/czts(se)/cds/i-zno/ito/ag。
50.以8片铜锌锡硫太阳电池为例介绍集成串联的方法。将mo玻璃板用金刚石刀切割成20
×
20mm的mo玻璃片，采用金属激光雕刻机按照图2刻蚀玻璃表面的mo层，得到8片铜锌锡硫太阳电池的mo玻璃基底。在此基底上制备铜锌锡硫太阳电池，在磁控溅射ito层后使用刮刀沿着mo玻璃基底轮廓将8片电池分开，达到8片铜锌锡硫太阳电池集成在一片20
×
20mm玻璃片上的效果，使用银栅电极将8片铜锌锡硫太阳电池串联起来，因此特别设计了“l”型
掩模版，如图3所示，蒸银后完成串联的电池如图4所示。
51.实施例1
52.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用11片总面积为211.75mm2铜锌锡硫太阳电池(11-czts)，集成在一片29
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用钴酸锂电池(lco)，11-czts-lco一体化电源如图5所示。
53.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，185.41min里共接受了654.34mwh的能量，静置5min后，进行3ma恒流放电测试，共放出22.31mwh的能量，计算得出11-czts-lco一体化电源光电转换与储存效率为3.41％。
54.实施例2
55.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用12片总面积为231mm2铜锌锡硫太阳电池(12-czts)，集成在一片29
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用钴酸锂电池(lco)，12-czts-lco一体化电源如图6所示。
56.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，70.82min里共接受了272.66mwh的能量，静置5min后，进行3ma恒流放电测试，共放出18.61mwh的能量，计算得出12-czts-lco一体化电源光电转换与储存效率为6.82％。
57.实施例3
58.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用13片总面积为250.25mm2铜锌锡硫太阳电池(13-czts)，集成在一片33.5
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用钴酸锂电池(lco)，13-czts-lco一体化电源如图7所示。
59.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，47.49min里共接受了198.07mwh的能量，静置5min后，进行3ma恒流放电测试，共放出17.10mwh的能量，计算得出13-czts-lco一体化电源光电转换与储存效率为8.63％。
60.实施例4
61.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用14片总面积为265.50mm2铜锌锡硫太阳电池(14-czts)，集成在一片33.5
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用钴酸锂电池(lco)，14-czts-lco一体化电源如图8所示。
62.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，40.24min里共接受了180.74mwh的能量，静置5min后，进行3ma恒流放电测试，共放出16.15mwh的能量，计算得出14-czts-lco一体化电源光电转换与储存效率为8.94％。
63.实施例5
64.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统
(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用10片总面积为192.50mm2铜锌锡硫太阳电池(10-czts)，集成在一片24.5
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用磷酸钒钠电池(nvpo)，10-czts-nvpo一体化电源如图9所示。
65.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，6.91min里共接受了22.17mwh的能量，静置5min后，进行1ma恒流放电测试，共放出0.82mwh的能量，计算得出10-czts-nvpo一体化电源光电转换与储存效率为3.70％。
66.实施例6
67.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用11片总面积为211.75mm2铜锌锡硫太阳电池(11-czts)，集成在一片29
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用磷酸钒钠电池(nvpo)，11-czts-nvpo一体化电源如图10所示。
68.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，5.03min里共接受了17.75mwh的能量，静置5min后，进行1ma恒流放电测试，共放出0.77mwh的能量，计算得出11-czts-nvpo一体化电源光电转换与储存效率为4.34％。
69.实施例7
70.本发明提供一种光伏储能一体化电源，包括光电转换器件(pc)、可充电储能系统(esss)，二者使用探针和导线直接连接。所述光电转换器件(pc)使用12片总面积为231mm2铜锌锡硫太阳电池(12-czts)，集成在一片29
×
20mm的玻璃基底上，通过l型银栅电极实现串联。所述可充电储能系统(esss)使用磷酸钒钠电池(nvpo)，12-czts-nvpo一体化电源如图11所示。
71.将采用本实施例制备的一体化电源放置在100mw/cm2的氙灯光源下，进行光充电测试，3.66min里共接受了14.09mwh的能量，静置5min后，进行1ma恒流放电测试，共放出0.70mwh的能量，计算得出12-czts-nvpo一体化电源光电转换与储存效率为4.97％。
72.实施例8
73.本发明使用10-czts-nvpo一体化电源说明基于铜锌锡硫太阳电池一体化电源的光充电优势(特别选择的10块铜锌锡硫太阳电池串联后的电压与磷酸钒钠电池的充电截止电压几乎相等)。10-czts-nvpo一体化电源光充电、1ma恒流放电测试曲线如图12所示，在光充电的前16min，电压曲线是一条斜向上且斜率不断减小的光滑曲线，逐渐逼近磷酸钒钠电池的充电截止电压3.9v，电流曲线是一条斜向下的曲线且逐渐接近零，有利于充电前期进行快充，同时减小了充电极化；在16min时光充电电流首次减小为零，在之后的光充电时间里(16-44min)，电流数值在0-0.3ma之间波动，电压始终在磷酸钒钠电池的充电截止电压3.9v以下波动，整体趋势在无限逼近3.9v，这意味着czts-nvpo一体化电源可以通过调节pc端开路电压实现光充电防过充，定性的体现了光充电的优势。实验在44min停止光充电，对磷酸钒钠电池进行1ma恒流放电，共放出了0.87mwh的能量，远高于之前10片czts-nvpo一体化电源放出的0.82mwh，说明czts-nvpo一体化电源调节pc端开路电压，通过长时间的光充电可以为esss充入更多的能量，定量的说明了光充电的优势。
74.本发明未尽事宜为公知技术。
75.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。