柔性纤维状碳基钙钛矿太阳能电池的制备及其集成系统的应用研究

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随着移动互联网和智能终端的快速发展,柔性可穿戴电子设备呈现出巨大的市场应用前景,这对柔性可穿戴电子电源提出了迫切且具有挑战性的需求。而传统的可穿戴能源器件存在柔性差、质量重、体积大等问题,并不能满足许多微电子的用电需求,从而限制了柔性可穿戴电子设备的发展和广泛应用。纤维状的能源器件由于其柔性高、质轻、方便携带。因此,在柔性可穿戴领域已经成为人们的研究热点。目前,人类的生活与电能密不可分,且电能传输快捷、储存方便。太阳能是一种随处可得的能量形式,光电转换是开采太阳能获得电能的最佳方式之一。而实现光电转换的重要器件包括染料敏化太阳能电池(DSSCs)、钙钛矿太阳能电池(PSCs)等。基于此,本文主要研究点是在柔性纤维状DSSCs的制备基础上,研究制备了柔性纤维状碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs),最后将制得的纤维状太阳能电池进行集成、应用,制备出在柔性可穿戴领域中有着广泛应用的可自供电柔性传感系统。主要包括以下几个方面:(1)研究制备了PSCs的光阳极。首先在制备纤维状DSSCs中半导体Zn O纳米阵列的基础上,探究了Zn O基半导体光阳极,但是钙钛矿并不能在Zn O纳米阵列的基础上形成一层致密的膜。于是,探究制备了Ti O2基半导体光阳极,将其应用在C-PSCs中,获得了一定的光电性能。为了进一步验证Ti O2基半导体光阳极的可行性,还将其应用在纤维状DSSCs中,并达到了纤维状DSSCs的正常输出性能。(2)研究制备了柔性纤维状C-PSCs,其结构为Ti丝/致密Ti O2/介孔Ti O2/钙钛矿(CH3NH3Pb I3)/C。在制备好Ti O2基半导体光阳极的基础上,探究了PSCs的其它功能层的制备条件,以制备出输出性能更好的器件。首先,分别采用浸涂-提拉法、电沉积法和电加热辅助成膜法三种不同方法,探究制备了钙钛矿吸光层的成膜条件,其中,电加热辅助成膜法制得的钙钛矿吸光层的效果最佳。其次,分别以Cu I、碳材料以及spiro-OMe TAD作为空穴传输层进行了制备探究。由于柔性纤维状C-PSCs是一种全新的电池结构,存在许多的不确定因素,使得钙钛矿吸光层在纤维曲面上的成膜更具挑战性。于是,我们采用PSCs的典型结构,以成熟的spiro-OMe TAD材料作为空穴传输层,进一步对钙钛矿吸光层进行了优化探究。最后,将优化后的实验条件应用在C-PSCs制备中,取得了一定的效果。(3)研究制备了同轴光纤式自供电可拉伸集成应变传感器。将制得的纤维状太阳能电池、储能电池和可拉伸应变传感器,通过缠绕的方式集成组装,实现能量的采集、存储和利用一体化,从而形成同轴光纤式自供电可拉伸集成应变传感器。收获的太阳能可以通过纤维状太阳能电池有效地转化为电能,然后以化学能的形式储存在可伸缩的储能电池中,进而为可拉伸纤维应变传感器提供稳定、连续的电源。从而该柔性自供电传感系统可以稳定、灵敏地实现对各种关节或肌肉的某些动作的实时检测。这在柔性可穿戴、人工智能以及医疗监测等领域有着巨大的应用前景。
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