集成式光充电电容器及其制备方法与流程

本发明涉及光电转换与能量储存，具体涉及一种集成式光充电电容器及其制备方法。

背景技术：

1、随着能源短缺和环境污染问题的日益凸显，太阳能作为一种可持续、可再生的能源，其高效利用越来越受到人们的关注。其中，光伏电池能将太阳能转化为电能，实现太阳能的高效利用。

2、光伏电池以半导体的光生伏打效应为基础，具体地，在光照时，如果光子的能量高于半导体的禁带宽度，半导体就会吸收光子，并产生受激发的电子-空穴对，在半导体pn结的内建电场作用下，电子-空穴对中的电子流向n区，而空穴流向p区，最终在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场，这就是光生伏打效应。然而，光伏电池的能量密度偏低，使得其在一些高功率需求的场景中使用受限，例如电动汽车的启动阶段等。将光伏电池和快速响应的电容器相结合，可以同时实现太阳能与电能的转化以及电能的功率放大，这是解决光伏电池能量密度偏低的一个可行的技术路线。

3、相关技术中，通常将光伏电池和电容器结合形成分离式光充电电容器系统。分离式光充电电容器系统一般包括光伏电池模块、电能传输模块和电容器模块，各模块相互独立。其中，光伏电池模块通过光生伏打效应实现太阳能向电能的转换，电能传输模块用于通过外电路将电能传输至电容器模块中，而电容器模块用于储存电能，当需要大功率放电时，电容器模块接通并向外做功。然而这种分离式光充电电容器系统需要额外的控制元件和电路管理系统，设计复杂，难以实现小型化，且电能在传输过程中会产生严重的功率损耗。

4、将光电转换单元与电容器单元进行集成处理得到一体化光充电电容器，与分离式光充电电容器系统相比，其结构更为紧凑，电荷传输效率更高。例如，中国专利202110382699.2中公开了一种光驱动充电离子电容器及其制备方法，该光驱动充电电容器由光阳极、锌片对电极和硫酸锌电解液构成，利用光照条件下锌离子的往复运动在同一种材料下实现光电转换和存储的结合。

5、然而，在实现本发明的过程中，发明人发现上述光充电电容器的光电转换效率较低、稳定性较差。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的光充电电容器的光电转换效率较低、稳定性较差的缺陷，从而提供一种集成式光充电电容器及其制备方法。

2、本发明的发明人研究发现，现有技术中的光充电电容器的光电转换效率较低、稳定性较差的原因在于，光电转换单元的光阳极与电容器单元的电解质之间缺乏有利阻挡，导致光阳极中的光敏材料因受到电解质腐蚀而被破坏和失效，最终表现为光充电电容器的光电转换效率衰减、稳定性变差。

3、为此，本发明提供一种集成式光充电电容器，该集成式光充电电容器包括光电转换单元和电容器单元，所述光电转换单元与所述电容器单元共用同一个共享电极；

4、其中，所述共享电极包括第一电极基底，所述第一电极基底具有疏水面和亲水面，所述疏水面朝向所述光电转换单元，所述亲水面朝向所述电容器单元，且所述亲水面上负载有第一储能活性材料层。

5、可选地，所述第一储能活性材料层中含有储能活性材料，所述储能活性材料包括钴酸铁、钴酸镍和钴酸锰中的至少一种；

6、所述第一储能活性材料层的厚度为20～40μm。

7、可选地，所述第一电极基底包括碳纤维纸、碳纤维布和碳纤维毡中的至少一种；

8、所述第一电极基底的厚度为200～500μm。

9、可选地，所述光电转换单元包括光阳极以及所述共享电极，所述光阳极包括依次层叠设置的导电玻璃层、二氧化钛层和钙钛矿层；其中，

10、导电玻璃包括fto导电玻璃和/或ito导电玻璃；

11、和/或，钙钛矿包括甲脒(fa)型钙钛矿和/或甲胺(ma)型钙钛矿；

12、和/或，所述导电玻璃层的厚度为1～2mm，所述二氧化钛层的厚度为30～200nm，所述钙钛矿层的厚度为300～400nm。

13、可选地，所述电容器单元包括所述共享电极、凝胶电解质以及对电极，所述对电极包括第二电极基底以及负载在所述第二电极基底表面的第二储能活性材料层。

14、可选地，所述第二储能活性材料层中含有储能活性材料，所述储能活性材料包括钴酸铁、钴酸镍和钴酸锰中的至少一种；

15、所述第二储能活性材料层的厚度为20～40μm。

16、可选地，所述凝胶电解质包括氢氧化钾水凝胶、氢氧化钠水凝胶和氢氧化锂水凝胶中的至少一种。

17、本发明还提供了一种上述所述的集成式光充电电容器的制备方法，包括如下步骤：

18、将共享电极的疏水面粘附在光阳极的钙钛矿层上，然后在所述共享电极的第一储能活性材料层一侧设置凝胶电解质以及对电极，使得所述凝胶电解质位于所述共享电极的第一储能活性材料层与所述对电极的第二储能活性材料层之间，封口。

19、可选地，所述共享电极的制备过程包括：

20、将聚苯乙烯的氯苯溶液置于第一电极基底的一个表面，烘干，得到单面聚苯乙烯保护的第一预制电极；

21、对所述第一预制电极的非聚苯乙烯面进行亲水处理，得到第二预制电极；

22、将所述第二预制电极置于用于形成储能活性材料的原料溶液中，水热反应，以在所述第二预制电极的亲水面上形成储能活性材料前驱体，得到第三预制电极；

23、去除所述第三预制电极表面的聚苯乙烯保护层，煅烧，得到亲水面上负载有第一储能活性材料层的第四预制电极；

24、对所述第四预制电极未负载有所述第一储能活性材料层的表面进行疏水处理，得到所述共享电极。

25、可选地，所述储能活性材料包括钴酸铁，所述用于形成储能活性材料的原料溶液中含有硝酸铁、硝酸钴、尿素和氟化铵，硝酸铁、硝酸钴、尿素和氟化铵的摩尔比为(1～2):(2～3):(8～12):(4～8)。

26、可选地，在上述共享电极的制备过程中，在聚苯乙烯的氯苯溶液中，聚苯乙烯的浓度可以为80～100mg/ml；烘干得到第一预制电极时，烘干温度可以为120～150℃；对所述第一预制电极的非聚苯乙烯面进行亲水处理时，可以是利用硝酸溶液进行氧化处理，处理温度为85～90℃，处理时间为3～8h；在形成储能活性材料前驱体时，水热反应的温度可以为120～150℃，时间可以为10～12h；去除所述第三预制电极表面的聚苯乙烯保护层的方法可以是利用氯苯溶剂进行清洗溶解；在煅烧得到第四预制电极时，煅烧的温度可以为300～500℃，时间可以为5～10h；在进行疏水处理时，可以将1h,1h,2h,2h-全氟硅烷的异辛烷溶液喷涂到所述第四预制电极未负载有所述第一储能活性材料层的表面，然后于100～120℃进行固化处理。

27、可选地，所述光阳极的制备过程可以包括如下步骤：

28、在导电玻璃上滴加二异丙氧基双乙酰丙酮钛的异丙醇溶液，旋涂均匀后置于90～100℃的条件下固化，冷却后置于400～600℃的条件下煅烧2～3h；冷却后继续滴加二氧化钛浆料稀释液，旋涂均匀后置于90～100℃的条件下固化，冷却后置于400～600℃的条件下煅烧2～3h；冷却后，涂覆用于形成钙钛矿材料的原料溶液，旋涂均匀后置于120～150℃的条件下退火处理10～30min。其中，所述用于形成钙钛矿材料的原料溶液中可以含有碘甲胺、碘化铯和碘化铅，溶剂包括dmf和dmso，碘甲胺、碘化铯、碘化铅、dmf和dmso的重量比可以为(10～12):(1～2):(35～38):(45～50):(5～12)。

29、可选地，所述凝胶电解质的制备过程可以包括如下步骤：取1～2g的聚乙烯醇，溶于10～20ml的水中，然后加入1～1.5g的碱，搅拌10～15h。

30、可选地，所述对电极的制备过程可以包括如下步骤：

31、将亲水处理后的第二电极基底置于用于形成储能活性材料的原料溶液中，于120～150℃的条件下水热反应10～12h，以在所述第二电极基底表面形成储能活性材料前驱体；洗涤后于300～500℃的条件下加热5～10h。

32、本发明技术方案，具有如下优点：

33、1.本发明提供的集成式光充电电容器，包括共用同一个共享电极的光电转换单元和电容器单元，将太阳能的采集、转化、存储和功率放大集于一体，提高了太阳能的可利用性；

34、在该集成式光充电电容器中，电子和空穴能够通过共享电极在光电转换单元和电容器单元之间快速传输，这降低了整体阻抗，有利于提升电荷传输效率，降低电能在输送过程中的功率损耗，实现高效的太阳能采集、高效的光电能量转换以及高功率的电能输出；

35、共享电极包括第一电极基底，第一电极基底具有疏水面和亲水面；其中，疏水面朝向光电转换单元，能够有效避免电容器单元中的电解质液体渗透共享电极而腐蚀、破坏光电转换单元中光阳极的光敏材料，进而避免光电转换单元的光电转换效率衰减、稳定性变差；亲水面负载第一储能活性材料层并朝向电容器单元，能够显著提升电解质液体对第一储能活性材料层的浸润效果，利于电容器单元中离子的传输，进而提升电容器单元的倍率性能和循环稳定性；

36、因此，由于具有特定结构的共享电极的使用，使得本发明的光充电电容器具有较高的光电转换效率、较强的稳定性、较好的倍率性能以及较高的循环稳定性。

37、2.本发明提供的集成式光充电电容器，相较于相关技术中使用双金属电极的双电层电容器，本发明的电容器采用钴酸铁等储能活性材料进行电能的存储，属于赝电容，具有较高的储能容量和高功率输出性能。

38、3.本发明提供的集成式光充电电容器，共享电极的电极基底选用碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡等碳纤维材质的材料，相较于其他材质的电极基底，能够显著提升电容器的循环寿命和循环稳定性。

39、4.本发明提供的集成式光充电电容器，光阳极中使用钙钛矿材料作为吸光层光敏材料，相较于其他光敏材料，具有较高的光电转换效率。

40、5.本发明提供的集成式光充电电容器，电容器单元为无隔膜结构，这能够进一步提升电容器的能量密度。