平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件和应用的制作方法

本发明涉及能量转化与储存器件，特别是涉及平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件和应用。

背景技术：

1、近年来，太阳能电池作为一种环保的能量挖掘器件已得到广泛应用，但在实际应用中，由于气候改变、季节变化和昼夜更替等因素导致的光照强度变化和温度变化均会引起太阳能电池输出能量的剧烈波动。因此，将光电能量借助太阳能电池转化至储能器件再持续稳定输出到外设是必要的，这种能量挖掘与能量储能集成的器件尤其适用于能量密度不高、可穿戴便携移动式柔性电子及户外偏远地区的持续能量补给。

2、平面型超级电容器因其轻薄便携式、柔韧性、高循环寿命及高功率/能量密度等优势而频繁作为功率/能量补给装置应用到可穿戴设施、集成微电路系统等场合中，可按需提供一定范围的电压输出和能量供给。与锂电池相比，超级电容器具备微小型、高循环稳定性、高功率输出、长使用寿命等优势。因此，将平面型超级电容器与太阳能电池进行有效的集成将有效促进相关技术在柔性电子领域的应用。

3、目前，虽然市场上出现了一些关于太阳能电池与超级电容器集成的器件，但是传统的太阳能电池与超级电容器集成的器件，一方面，由于该器件结构较为简单，未能进一步优化电路设计，导致平面集成度较低；另一方面该器件多为刚性器件，导致柔韧性较差，从而难以满足其在柔性电子领域的需求。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件和应用。所述平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件不仅集成度高，且具有优异的柔韧性以及性能稳定的特点。

2、一种平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，包括：柔性衬底以及集成于所述柔性衬底同一侧的超级电容器和太阳能电池；

3、其中，所述柔性衬底上间隔设有第一碳电极、第二碳电极和第三碳电极，所述第二碳电极位于所述第一碳电极和所述第三碳电极之间，所述第二碳电极作为超级电容器的阴极、太阳能电池的阴极以及所述超级电容器与所述太阳能电池之间的电连接部分，所述第一碳电极用于与所述超级电容器的阳极相连接，所述第三碳电极用于与所述太阳能电池的阳极相连接，且所述第一碳电极、所述第二碳电极以及所述第三碳电极均为激光诱导石墨烯碳电极。

4、在其中一个实施例中，所述第二碳电极包括依次相连的第一部分电极、中间部分电极和第二部分电极，所述第一部分电极作为超级电容器的阴极，所述第二部分电极作为太阳能电池的阴极，所述中间部分电极作为所述超级电容器与所述太阳能电池之间的电连接部分。

5、在其中一个实施例中，所述超级电容器包括所述第二碳电极的第一部分电极以及依次层叠复合于所述第二碳电极的第一部分电极的电解质层、第四碳电极，背离所述柔性衬底的所述第一碳电极的表面上设有第一电导通层，所述第四碳电极通过所述第一电导通层与所述第一碳电极相连接，所述第四碳电极作为超级电容器的阳极，且所述第四碳电极为激光诱导石墨烯碳电极。

6、在其中一个实施例中，所述超级电容器包括所述第二碳电极的第一部分电极以及复合于所述第二碳电极的第一部分电极的电解质层，且所述第二碳电极的第一部分电极形状为叉指状，所述第二碳电极的第一部分电极通过所述电解质层与所述第一碳电极相连接。

7、在其中一个实施例中，所述太阳能电池包括所述第二碳电极的第二部分电极以及依次层叠复合于所述第二碳电极的第二部分电极的钙钛矿光敏层、介孔层、紧凑层以及导电透明基质层，背离所述柔性衬底的所述第三碳电极的表面上设有第二电导通层，所述导电透明基质层通过所述第二电导通层与所述第三碳电极相连接。

8、在其中一个实施例中，所述第一碳电极和所述第三碳电极的长度均小于所述第二碳电极的长度。

9、在其中一个实施例中，所述柔性衬底包括柔性衬底基质层以及复合于所述柔性衬底基质层表面的碳源层，所述第一碳电极、所述第二碳电极以及第三碳电极分别由激光选择性加工对应的碳源层转换而成；

10、及/或，背离所述柔性衬底的所述第二碳电极的表面上设有第一表面处理层。

11、在其中一个实施例中，所述柔性衬底基质层的厚度选自0.1mm-0.15mm，所述碳源层的厚度选自0.1mm-0.12mm；

12、及/或，所述柔性衬底基质层的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、不锈钢薄片或者磷青铜片；

13、及/或，所述碳源层的材料选自聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或者氧化石墨烯，其中，所述聚酰亚胺的分子链中含有芳环和酰亚胺结构。

14、在其中一个实施例中，所述第一碳电极引出端口a，所述第二碳电极引出端口b，所述第三碳电极引出端口c。

15、一种如权利要求上述所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件在可穿戴电子设备或者无源设备中的应用。

16、本发明中，第一、通过采用柔性衬底，且柔性衬底同一侧集成超级电容器和太阳能电池，所述超级电容器作为储能装置对转化能量进行缓存，所述太阳能电池作为能量挖掘器对太阳能实现能量转化，从而实现了超级电容器和太阳能电池基于柔性衬底进行平面式组装的柔性器件，得到平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，且该柔性器件具有优异的柔韧性；第二、通过设置第二碳电极，且第二碳电极为激光诱导石墨烯碳电极，具有优异的导电性以及柔韧性，且该第二碳电极作为超级电容器的阴极、太阳能电池的阴极以及所述超级电容器与所述太阳能电池之间的电连接部分，使得该第二碳电极既能在太阳能电池中收集并传输光生空穴，又能在超级电容器中对静电荷进行储存，实现了高效光电能量转换与存储功能的统一，同时也降低了制备成本、简化了器件结构。

17、因此，本发明采用柔性衬底以及超级电容器和太阳能电池共电极的方式，实现了超级电容器和太阳能电池的平面式集成，简化了结构，使得制备的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，集成度高，结构更加紧凑，且具有优异的柔韧性以及更加稳定的性能。

技术特征：

1.一种平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，包括：柔性衬底以及集成于所述柔性衬底同一侧的超级电容器和太阳能电池；

2.根据权利要求1所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述第二碳电极包括依次相连的第一部分电极、中间部分电极和第二部分电极，所述第一部分电极作为超级电容器的阴极，所述第二部分电极作为太阳能电池的阴极，所述中间部分电极作为所述超级电容器与所述太阳能电池之间的电连接部分。

3.根据权利要求2所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述超级电容器包括所述第二碳电极的第一部分电极以及依次层叠复合于所述第二碳电极的第一部分电极的电解质层、第四碳电极，背离所述柔性衬底的所述第一碳电极的表面上设有第一电导通层，所述第四碳电极通过所述第一电导通层与所述第一碳电极相连接，所述第四碳电极作为超级电容器的阳极，且所述第四碳电极为激光诱导石墨烯碳电极。

4.根据权利要求2所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述超级电容器包括所述第二碳电极的第一部分电极以及复合于所述第二碳电极的第一部分电极的电解质层，且所述第二碳电极的第一部分电极形状为叉指状，所述第二碳电极的第一部分电极通过所述电解质层与所述第一碳电极相连接。

5.根据权利要求2所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述太阳能电池包括所述第二碳电极的第二部分电极以及依次层叠复合于所述第二碳电极的第二部分电极的钙钛矿光敏层、介孔层、紧凑层以及导电透明基质层，背离所述柔性衬底的所述第三碳电极的表面上设有第二电导通层，所述导电透明基质层通过所述第二电导通层与所述第三碳电极相连接。

6.根据权利要求1所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述第一碳电极和所述第三碳电极的长度均小于所述第二碳电极的长度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述柔性衬底包括柔性衬底基质层以及复合于所述柔性衬底基质层表面的碳源层，所述第一碳电极、所述第二碳电极以及第三碳电极分别由激光选择性加工对应的碳源层转换而成；

8.根据权利要求7所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述柔性衬底基质层的厚度选自0.1mm-0.15mm，所述碳源层的厚度选自0.1mm-0.12mm；

9.根据权利要求1-6任一项所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，其特征在于，所述第一碳电极引出端口a，所述第二碳电极引出端口b，所述第三碳电极引出端口c。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件在可穿戴电子设备或者无源设备中的应用。

技术总结
本发明涉及一种平面式集成能量挖掘和能量储存的柔性器件，包括：柔性衬底以及集成于所述柔性衬底同一侧的超级电容器和太阳能电池；其中，柔性衬底上间隔设有第一碳电极、第二碳电极和第三碳电极，第二碳电极位于第一碳电极和第三碳电极之间，第二碳电极作为超级电容器的阴极、太阳能电池的阴极以及超级电容器与太阳能电池之间的电连接部分，第一碳电极用于与超级电容器的阳极相连接，第三碳电极用于与太阳能电池的阳极相连接，且第一碳电极、第二碳电极以及第三碳电极均为激光诱导石墨烯碳电极。本发明的柔性器件不仅集成度高，且具有优异的柔韧性以及性能稳定的特点。

技术研发人员：白石根,陈焕坚,阮罗渊,宋睿烜,杜瑀,唐燕如,林虹宇,单玉凤,邓惠勇,戴宁
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11