專利名稱：一種松樹形太陽能電池景觀樹的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏領(lǐng)域，具體涉及一種松樹形太陽電池景觀樹。
背景技術(shù)：
太陽能是新能源開發(fā)利用最活躍的領(lǐng)域，太陽能利用的重要途徑之一是研發(fā)太陽能電池。傳統(tǒng)的太陽能電池(包括硅太陽電池、薄膜太陽電池、有機太陽電池和染料敏化太陽電池)一般采用平面結(jié)構(gòu)，盡管科學家一直致力于提高平板太陽能電池的效率，但平板太陽能電池具有自身無法克服的缺點，如不能在狹小的空間內(nèi)使用，占地面積較大；對太陽能入射角的依賴性較強，太陽光的利用率低等。因此，要想充分利用清潔的太陽能來緩解能源危機，如何解決太陽能電池的大量占地面積和使用空間，以及提高其對太陽光的利用率是一個至關(guān)重要的問題。
目前，各類新型的太陽電池也不斷被報道，如鄒德春教授等發(fā)明了纖維狀可編織染料敏化太陽能電池[[i]]，王中林教授等報道了光纖基三維染料敏化太陽能電池[[ii]]。我們注意到自然界中雪松樹采取了立體采光式的針葉結(jié)構(gòu)來有效利用太陽光，受到大自然的啟發(fā)，我們研制了針狀染料敏化太陽能電池[[iii]]。另外，我們也發(fā)現(xiàn)雪松樹有合理的葉序排列，針葉的立體采光結(jié)構(gòu)可以從空間各個方向吸光，并且對太陽光方位角和遮陰不敏感。針葉的半個側(cè)圓柱面可以接收太陽光，而背面的側(cè)圓柱面又可以吸收周圍環(huán)境中的散射光和漫反射光，實現(xiàn)了對太陽能最合理的利用。雪松樹的構(gòu)造對研制新型的太陽能電池起到了有益的借鑒作用(如圖I所示)。如果將松葉狀太陽電池并聯(lián)成松葉葉序結(jié)構(gòu)，進而將每組并聯(lián)電池進一步并連成松枝，最后就可以組裝成掛滿了很多松葉狀太陽能電池的“人造松樹”，則在全天內(nèi)都可以從空間各個方向采光，從而實現(xiàn)松葉狀太陽能電池在立體結(jié)構(gòu)上的“可編織”。本發(fā)明提出一種松樹形太陽電池景觀樹，解決了平板電池對太陽光的利用率低和占地面積較大的缺點，并且制作工藝簡單，成本低，有利于太陽能電池的大面積商業(yè)化應(yīng)用，同時也可以在室外作為一種美化環(huán)境的景觀樹。

發(fā)明內(nèi)容
針對平板太陽能電池所存在的問題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種松樹形太陽能電池景觀樹。該太陽能電池樹一方面可以從周圍各個方向上采光，實現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)上的“可編織”；另一方面可在相同的面積上增加對空間的有效采光面積從而提高了太陽光的利用率，節(jié)約太陽能電池的占地面積；同時也可以在室外作為一種美化環(huán)境的景觀樹。本發(fā)明提供的一種松樹形太陽能電池景觀樹，包括樹干、樹枝、樹葉三部分，三部分之間用高分子橡膠密封或使用預(yù)留接口連接；其中，所述樹干為硬質(zhì)塑料包裹的銅線，所述樹枝為軟質(zhì)塑料包裹的銅線，樹枝為4 15根，所述樹葉為透明玻璃管或塑料管封裝的染料敏化太陽能電池，長約3. 5 4. 5cm。所述樹枝上染料敏化太陽能電池總共為20 60塊，所述樹葉上染料敏化太陽能電池相互并聯(lián)，所述不同樹枝間染料敏化太陽能電池相互并聯(lián)。本發(fā)明中，所述松樹形太陽能電池景觀樹的樹枝上連接塑料花朵。本發(fā)明中，所述樹葉中使用的染料敏化太陽能電池，由工作電極、對電極和電解液組成，所述工作電極、對電極平行置于透明玻璃管或塑料管；其中，所述工作電極包括絲狀導電基底I和包覆在其外面的半導體薄膜2，所述絲狀導電基底I采用金屬絲或?qū)щ娎w維，優(yōu)選鈦、鎳、不銹鋼、導電碳纖維，直徑為O. 2~0. 4mm ;所述半導體薄膜2為TiO2或ZnO，厚度為10~20μπι。工作電極是利用陽極氧化，涂覆、提拉或噴霧等方法將其包覆在導電基底外表面，之后將其燒結(jié)，然后置于染料中敏化獲得的。所述對電極3是起催化和電子傳輸作用的鉬絲、鎳絲、銅絲或金絲，或負載了鉬、鎳等的金屬絲或?qū)щ娎w維。所述電解液4采用具有氧化還原作用的I2和/T溶液，或者固態(tài)空穴傳輸材料CuI或CuSCN (圖2)。使用時，將導電率好的導線(如銅線)分別與本發(fā)明松樹形太陽電池樹的正負電極焊接或?qū)щ姖{料粘接后引出，接入負載，即可在光照下工作?；蛘邔⒐廪D(zhuǎn)化得到的電能儲存在蓄電池中，即可在沒有光照的情況下使用。 本發(fā)明松樹形染料敏化太陽能電池的工作原理是當光線照射到松葉狀染料敏化太陽能電池光陽極上的敏化染料后，產(chǎn)生光生電子-空穴對，然后通過TiO2分離，I離子被空穴氧化為If離子，電子被導電基底收集并沿外電路傳導到對電極，然后回到電解液中，又將電解液中的13_還原為Γ離子，從而完成循環(huán)，這樣就可以得到一定的輸出電流和電壓。通過松葉狀染料敏化太陽能電池的串并聯(lián)成松樹形狀，就可以得到較高的輸出功率。本發(fā)明松樹形太陽能電池景觀樹可以從空間各個方向采光，提高了太陽光的利用效率，克服了平板太陽能電池大面積應(yīng)用過程中占地面積較大的缺點，制作工藝要簡單，實現(xiàn)了染料敏化太陽能電池在立體結(jié)構(gòu)上的有序“可編織”。同時該太陽能電池樹可在室外作為一種美化環(huán)境的景觀樹。采用成本低耐腐蝕且導電性較好的金屬絲或?qū)щ娎w維作為導電基底，塑料作為絕緣層，有利于大面積商業(yè)化應(yīng)用。本發(fā)明松樹形太陽能電池景觀樹構(gòu)造不僅適用于染料敏化太陽電池，同時也適用于其它所有太陽能電池，如硅太陽能電池，薄膜太陽電池和有機太陽電池等。


圖I自然界中松樹的有序立體吸光結(jié)構(gòu)；
圖2本發(fā)明中松葉狀染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意 圖3本發(fā)明中松樹形染料敏化太陽能電池景觀樹結(jié)構(gòu)示意 圖4本發(fā)明實施例I制備的并聯(lián)3塊松葉狀染料敏化太陽能電池的樹枝的電流-電壓曲線；
圖5本發(fā)明實施例2制備的并聯(lián)6塊松葉狀染料敏化太陽能電池的樹枝的電流-電壓曲線；
圖6由本發(fā)明實施例3制備的固態(tài)松樹形太陽能電池樹的電流-電壓曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明公開了一種松樹形太陽能電池景觀樹，包括樹干5、樹枝6、樹葉7三部分，三部分之間用高分子橡膠密封或使用預(yù)留接口連接；其中，樹干5為硬質(zhì)塑料包裹的銅線，樹枝6為軟質(zhì)塑料包裹的銅線，樹枝6為4 15根，樹葉7為透明玻璃管或染料敏化太陽能電池，每根樹枝6上染料敏化太陽能電池為3 6塊，所述樹葉7上染料敏化太陽能電池的連接方式為并聯(lián)，所述不同樹枝6間染料敏化太陽能電池的連接方式為并聯(lián)。如圖3所示，分別用硬質(zhì)塑料和軟質(zhì)塑料包覆導電率好的導線(如銅線)作為松樹的樹干5和樹枝6，松葉狀太陽能電池作為樹葉7，將導線分別與松樹狀太陽能電池的正負電極和塑料花插入松樹樹枝6上預(yù)留的接口或利用焊接或?qū)щ姖{料粘接后，用導線引出并聯(lián)后，接入負載，即可在光照下工作?；蛘邔⒐廪D(zhuǎn)化得到的電能儲存在蓄電池中，即可在沒有光照的情況下使用。實施例I將用拋光液(V (去離子水):V (HNO3) : V (HF) =5:4:1)預(yù)處理后的Ti絲作為陽極，石墨片作為陰極，利用直流穩(wěn)壓電源控制電壓60V，含O. 6wt%3. 5v% H2O的150ml乙二醇溶
液作為電解液，在室溫及磁力攪拌下陽極氧化I小時，即可在Ti絲表面包覆一層TiO2納米管薄膜。將陽極氧化后的Ti絲(O. 2、. 4 mm)在450°C下，熱處理2小時。冷卻至室溫后，用O. 2M 11(14在601下水浴處理I小時，然后在450°C下熱處理30min，自然冷卻至80°C，放入O. 5 mM N719染料的無水乙醇溶液中敏化過夜，即可得到敏化TiO2納米管薄膜。將導電碳纖維(直徑為O. 4_)依次用去離子水、無水乙醇和丙酮超聲清洗5分鐘，然后將其浸于IOmM氯鉬酸的乙醇溶液中過夜，最后在385°C下燒結(jié)20分鐘，即可得到負載鉬的導電碳纖維對電極。鉬納米顆粒均勻地負載在導電碳纖維上，直徑為2f43nm[3b]。將敏化納米TiO2納米管和負載鉬的導電碳纖維平行置于透明玻璃管中，然后用硅橡膠封裝。待絕緣膠室溫固化后，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。然后再用硅橡膠封住注射孔，即可得到長約4cm松葉狀染料敏化太陽能電池。重復以上實驗操作，即可得到多塊長約4cm松葉狀染料敏化太陽能電池。松樹的樹干和15根樹枝分別用硬質(zhì)塑料和軟質(zhì)塑料包覆導電率好的銅線制作。將松葉狀染料敏化太陽能電池正負電極和塑料花插入樹枝上預(yù)留的接口，用導電膠粘結(jié)至導線上，即可組裝得到染料敏化太陽能電池樹。本發(fā)明制得的太陽能電池樹，每根樹枝上并聯(lián)3塊松葉狀電池，在AMl. 5太陽光照射下測試電流電壓J-V曲線如圖4所示，開路電壓=0. 77V，短路電流密度=6. 73mA. cm_2，填充因子=0. 47，電池效率=2. 41%。將15根上述樹枝并聯(lián)組裝成松樹形染料敏化太陽能電池樹，可以得到的功率為25 27mW。實施例2
將用拋光液(V(去離子水)=V(HNO3) :V(HF)=5:4:1)預(yù)處理后的Ti絲作為陽極，石墨片作為陰極，利用直流穩(wěn)壓電源控制電壓60V，含O. 6wt% NH4F和3. 5v% H2O的150ml乙二醇溶液作為電解液，在室溫及磁力攪拌下陽極氧化I小時，即可在Ti絲表面包覆一層TiO2納米管薄膜。將陽極氧化后的Ti絲(O. 2、. 4 mm)在450°C下，熱處理2小時。自然冷卻至80°C,放入O. 5 mM N719染料的無水乙醇溶液中敏化過夜，即可得到敏化TiO2納米管薄膜。對電極和松葉狀太陽能電池的制備過程如實施例I.
松樹的樹干和10根樹枝分別用硬質(zhì)塑料和軟質(zhì)塑料包覆導電率好的銅線制作。將松葉狀染料敏化太陽能電池正負電極和塑料花插入樹枝上預(yù)留的接口，用導電膠粘結(jié)至導線上，即可組裝得到染料敏化太陽能電池樹。本發(fā)明制得的太陽能電池樹，每根樹枝上并聯(lián)6塊松葉狀染料敏化太陽能電池，在AMl. 5太陽光照射下測試電流電壓J-V曲線如圖5所示，開路電壓=0. 64V，短路電流密度=5. 23mA. cnT2，填充因子=0. 43，電池效率=1. 4%。將10根上述樹枝并聯(lián)組裝成松樹形染料敏化太陽能電池樹，可以得到的功率為l(Tl3mW。實施例3
染料敏化TiO2納米管薄膜的制備過程如實施例I。將外表面包覆了染料敏化TiO2納米管薄膜的Ti絲作為工作電極，鉬片作為對電極，利用電化學工作站控制恒電流O. 0002A,將O. IM CuS04，0. 2M檸檬酸，O. 2M KSCN和去離子水均勻混和作為電解液，室溫磁力攪拌下電化學沉積1800s。即可在染料敏化TiO2納米管薄膜表面沉積一層透明CuSCN薄膜。N2氣流中吹干后將其與負載鉬的導電碳纖維平行放入透明玻璃管中，用硅橡膠密封，即可得到長約4cm固態(tài)松葉狀染料敏化太陽能電池。松樹的樹干和4根樹枝分別用硬質(zhì)塑料和軟質(zhì)塑料包覆導電率好的銅線制作。將固態(tài)松葉狀染料敏化太陽能電池正負電極和塑料花插入樹枝上預(yù)留的接口，用導電膠粘結(jié)·至導線上，即可組裝得到固態(tài)染料敏化太陽能電池樹。本發(fā)明固態(tài)松葉狀染料敏化太陽能電池，在AMl. 5太陽光照射下測試電流電壓J-V曲線如圖6所示，能量轉(zhuǎn)化效率為O. 004%。將5塊固態(tài)松葉狀染料敏化太陽能電池并聯(lián)在樹枝上，并將4根上述樹枝并聯(lián)組裝成松樹形固態(tài)染料敏化太陽能電池樹，可以得到的功率為1.82X10—2 mW。參考文獻
[[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,崔曉莉，孫明軒，一種針狀染料敏化太陽能電池，國家發(fā)明專利，申請?zhí)?01210189537.8 ;b，Sun，Μ. X. ; Cuij X. L J. Power Sources., revised。
權(quán)利要求
1.一種松樹形太陽能電池景觀樹，其特征在于包括樹干、樹枝、樹葉三部分，三部分之間用高分子橡膠密封或使用預(yù)留接口連接；其中，所述樹干為硬質(zhì)塑料包裹的銅線，所述樹枝為軟質(zhì)塑料包裹的銅線，樹枝為4 15根，所述樹葉為透明玻璃管或塑料管封裝的染料敏化太陽能電池，所述樹枝上染料敏化太陽能電池總共為20 60塊，其電池相互并聯(lián)，所述不同樹枝間染料敏化太陽能電池相互并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的松樹形太陽能電池景觀樹，其特征在于所述松樹形太陽能電池景觀樹的樹枝上連接塑料花朵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的松樹形太陽能電池景觀樹，其特征在于所述樹葉中使用的染料敏化太陽能電池，由工作電極、對電極和電解液組成，所述工作電極、所述對電極平行置于透明玻璃管或塑料管；其中，所述工作電極包括絲狀導電基底和包覆在其外面的半導體薄膜，所述絲狀導電基底采用金屬絲或?qū)щ娎w維，直徑為O. 2 O. 4mm，所述半導體薄膜為TiO2或ZnO，厚度為10 20 μ m ;所述工作電極是利用陽極氧化，涂覆、提拉或噴霧等方法將其包覆在導電基底外表面，之后將其燒結(jié)，然后置于染料中敏化獲得的；所述對電極是起催化和電子傳輸作用的鉬絲、鎳絲、銅絲或金絲，或負載了鉬、鎳等的金屬絲或?qū)щ娎w維；所述電解液采用具有氧化還原作用的I2和/T溶液，或者固態(tài)空穴傳輸材料CuI或CuSCN。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的松樹形太陽能電池景觀樹，其特征在于所述工作電極中使用的絲狀導電基底為鈦、鎳、不銹鋼或?qū)щ娞祭w維中任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的松樹形太陽能電池景觀樹，其特征在于所述樹葉為3.5 .4.5cm。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能光伏領(lǐng)域，具體為一種松樹形太陽電池景觀樹。其包括樹干、樹枝、樹葉三部分，三部分之間用高分子橡膠密封或使用預(yù)留接口連接；樹干為硬質(zhì)塑料包裹的銅線，樹枝為軟質(zhì)塑料包裹的銅線，樹葉為透明玻璃管或塑料管封裝的染料敏化太陽能電池，其電池相互并聯(lián)，所述不同樹枝間染料敏化太陽能電池相互并聯(lián)。本發(fā)明松樹形太陽能電池景觀樹可以從空間各個方向采光提高了太陽光的利用效率，克服了平板太陽能電池大面積應(yīng)用過程中占地面積較大的缺點，制作工藝要簡單，同時該太陽能電池樹可在室外作為一種美化環(huán)境的景觀樹。
文檔編號A41G1/00GK102842439SQ201210318009
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者崔曉莉, 孫明軒 申請人:復旦大學