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CN116230410A - 集成式光充电电容器及其制备方法 - Google Patents

集成式光充电电容器及其制备方法 Download PDF

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CN116230410A
CN116230410A CN202310282862.7A CN202310282862A CN116230410A CN 116230410 A CN116230410 A CN 116230410A CN 202310282862 A CN202310282862 A CN 202310282862A CN 116230410 A CN116230410 A CN 116230410A
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尹立坤
刘延超
赵慧春
郭帅楠
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Abstract

本发明涉及光电转换与能量储存技术领域，具体涉及一种集成式光充电电容器及其制备方法。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；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。由于特定结构共享电极的使用，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。

Description

集成式光充电电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电转换与能量储存技术领域，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
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
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。
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；
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。
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；
所述第一储能活性材料层的厚度为20～40μm。
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；
所述第一电极基底的厚度为200～500μm。
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，
导电玻璃包括FTO导电玻璃和/或ITO导电玻璃；
和/或，钙钛矿包括甲脒(FA)型钙钛矿和/或甲胺(MA)型钙钛矿；
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。
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。
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；
所述第二储能活性材料层的厚度为20～40μm。
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。
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：
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。
可选地，所述共享电极的制备过程包括：
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；
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；
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；
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；
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。
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)。
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。
可选地，所述光阳极的制备过程可以包括如下步骤：
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)。
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。
可选地，所述对电极的制备过程可以包括如下步骤：
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。
本发明技术方案，具有如下优点：
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；
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；
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；
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种集成式光充电电容器的结构示意图；
图2是本发明中涉及的一种共享电极的结构示意图；
图3是本发明的一种集成式光充电电容器的工作原理示意图。
附图标记：
1、导电玻璃层 2、二氧化钛层
3、钙钛矿层 4、光阳极
5、共享电极 6、凝胶电解质
7、对电极
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
图1示意性示出了本发明的一种集成式光充电电容器的结构示意图。如图1所示，该集成式光充电电容器包括光电转换单元和电容器单元，其中，光电转换单元包括光阳极4和共享电极5，电容器单元包括共享电极5、凝胶电解质6以及对电极7。光阳极4包括依次层叠设置的导电玻璃层1、二氧化钛层2和钙钛矿层3。光阳极4通过断路器K1与对电极7连接，共享电极5通过断路器K2与对电极7连接。由图1可以看出，该集成式光充电电容器中的光电转换单元与电容器单元共用同一个共享电极5，共享电极5同时作为光电转换单元的空穴传输电极和电容器单元的正极使用。
在上述集成式光充电电容器中，共享电极用于隔绝光电转换单元和电容器单元、传输光生空穴、负载储能活性材料；凝胶电解质用于传导离子；光阳极由导电玻璃层-二氧化钛层-钙钛矿层构成，其中钙钛矿为吸光材料层，用于产生光生电子和光生空穴，光生电子通过二氧化钛层和导电玻璃层向电容器单元传导，光生空穴通过共享电极向电容器单元传导。
图2示意性示出了本发明中涉及的一种共享电极的结构示意图。如图2所示，该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，疏水面朝向光电转换单元，亲水面朝向电容器单元，且亲水面上负载有第一储能活性材料层。
图3示意性示出了本发明的一种集成式光充电电容器的工作原理示意图。如图3A所示，在光照条件下，断路器K2断开，断路器K1闭合，发生光充电过程，光阳极中的钙钛矿层吸收光子，产生光生电子-光生空穴对，光生电子在内建电场作用下通过二氧化钛层和导电玻璃层经外电路传导至电容器单元的对电极，将对电极上的钴酸铁等储能活性材料还原成低价离子；同时，光生空穴沿共享电极传导，将共享电极上的钴酸铁等储能活性材料氧化成高价离子，从而实现光能的原位转换和转换后电能的存储。如图3B所示，断路器K1断开，断路器K2闭合，发生放电过程，共享电极上的高价离子和对电极上的低价离子分别发生还原反应和氧化反应，电流流经外电路做功，通过调节放电电流，可以控制电容器输出功率的大小。
实施例1
按照如下方法制备集成式光充电电容器：
(1)光阳极的制备：
①TiO2层的制备：在擦拭干净的FTO导电玻璃上滴加100μL二异丙氧基双乙酰丙酮钛的异丙醇溶液(稀释体积比为1:10)，在4000r/min的转速下旋涂30s，随后将FTO导电玻璃放置在100℃的加热台上固化，冷却后于500℃条件下煅烧2h；将TiO2浆料(固含量19％)用乙醇按照1：5.5的体积比例进行稀释，并取稀释液150μL滴加于煅烧后的FTO导电玻璃上，继续以500r/min的转速旋涂30s，旋涂结束后置于100℃条件下加热固化，随后将其置于500℃的马弗炉中加热2h，得到负载有TiO2层的FTO导电玻璃；
②钙钛矿层的制备：将151mg碘甲胺、13mg碘化铯、461mg碘化铅溶于600mg DMF和80mg DMSO中，制成用于形成钙钛矿材料的原料溶液，然后将原料溶液旋涂于负载有TiO2层的FTO导电玻璃的TiO2层上，旋涂完成后在120℃条件下进行退火处理10min，得到光阳极；
在上述制备得到的光阳极中，FTO导电玻璃层的厚度1mm，二氧化钛层的厚度为30nm，钙钛矿层的厚度为400nm。
(2)共享电极的制备：将浓度为100mg/mL的聚苯乙烯(PS)的氯苯溶液滴到碳纤维纸(日本东丽，型号为TGP-H-060，厚度为225μm)的一个表面上，140℃加热烘干后得到单面PS保护的碳纤维纸，作为第一预制电极；利用浓度为8mol/L的硝酸溶液对上述第一预制电极进行氧化处理，处理温度为90℃，处理时间为5h，使其未受PS保护的一侧具有亲水性，得到第二预制电极；将上述第二预制电极放入含有1.5mmol硝酸铁、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，然后于130℃的条件下水热处理12h，以在上述第二预制电极的亲水面上形成钴酸铁前驱体，得到第三预制电极；利用氯苯清洗上述第三预制电极，溶解PS保护层，然后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到亲水面负载第一储能活性材料层(钴酸铁活性材料层)的第四预制电极；最后，将1H,1H,2H,2H-全氟硅烷的异辛烷溶液喷涂到上述第四预制电极未负载有第一储能活性材料层的一侧，并于100℃固化处理，最终得到具有亲水面和疏水面的共享电极，其中亲水面负载有储能活性材料钴酸铁纳米颗粒；
在上述制备得到的共享电极中，第一储能活性材料层的厚度为25μm。
(3)凝胶电解质的制备：
取1g聚乙烯醇于15mL水中，完全溶解后取1g KOH加入其中，继续搅拌12h，得到氢氧化钾水凝胶电解质。
(4)对电极的制备：
将碳纤维纸(日本东丽，型号为TGP-H-060，厚度为225μm)置于浓度为8mol/L的硝酸溶液中，于90℃的条件下氧化处理5h，然后将其置于含有1.5mmol硝酸铁、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，在130℃的条件下水热处理12h，取出并洗涤后于空气中300℃条件下加热煅烧8h，得到单面负载有第二储能活性材料层(钴酸铁纳米颗粒)的碳纤维纸，作为对电极；
在上述制备得到的对电极中，第二储能活性材料层的厚度为25μm。
(5)集成式光充电电容器的组装：
在上述共享电极的疏水面上涂覆碳浆料(固含量为12％)，并将其粘附在上述光阳极的钙钛矿层上，120℃条件下加热10min；冷却后在上述共享电极的亲水面一侧加入上述氢氧化钾水凝胶电解质，然后再将上述对电极放在氢氧化钾水凝胶电解质的另一侧，以使氢氧化钾水凝胶电解质位于共享电极的第一储能活性材料层与对电极的第二储能活性材料层之间，然后利用热熔胶封口完成集成式光充电电容器的组装。
实施例2
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本实施例中第一储能活性材料层和第二储能活性材料层中含有的储能活性材料为钴酸镍。
在实施例1的基础上，第一储能活性材料层的制备方法为：将第二预制电极放入含有1.6mmol硝酸镍、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，然后于125℃的条件下水热处理12h，以在第二预制电极的亲水面上形成钴酸镍前驱体，得到第三预制电极；利用氯苯清洗上述第三预制电极，溶解PS保护层，然后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到亲水面负载第一储能活性材料层(钴酸镍活性材料层)的第四预制电极。制备得到的第一储能活性材料层的厚度为28μm。
在实施例1的基础上，第二储能活性材料层的制备方法为：将亲水处理后的碳纤维纸置于含有1.6mmol硝酸镍、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，在125℃的条件下水热处理12h，取出并洗涤后于空气中300℃条件下加热煅烧8h，得到单面负载有第二储能活性材料层(钴酸镍纳米颗粒)的碳纤维纸，作为对电极。制备得到的第二储能活性材料层的厚度为28μm。
实施例3
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本实施例中第一储能活性材料层和第二储能活性材料层中含有的储能活性材料为钴酸锰。
在实施例1的基础上，第一储能活性材料层的制备方法为：将第二预制电极放入含有1.4mmol硝酸锰、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，然后于150℃的条件下水热处理10h，以在上述第二预制电极的亲水面上形成钴酸锰前驱体，得到第三预制电极；利用氯苯清洗上述第三预制电极，溶解PS保护层，然后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到亲水面负载第一储能活性材料层(钴酸锰活性材料层)的第四预制电极。制备得到的第一储能活性材料层的厚度为30μm。
在实施例1的基础上，第二储能活性材料层的制备方法为：将亲水处理后的碳纤维纸置于含有1.4mmol硝酸锰、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，在150℃的条件下水热处理10h，取出并洗涤后于空气中300℃条件下加热煅烧8h，得到单面负载有第二储能活性材料层(钴酸锰纳米颗粒)的碳纤维纸，作为对电极。制备得到的第二储能活性材料层的厚度为30μm。
实施例4
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本实施例中制备共享电极时使用的第一电极基底为碳纤维布(中国台湾碳能w0s1009，厚度为347μm)，制备对电极时使用的第二电极基底为碳纤维布(中国台湾碳能w0s1009，厚度为347μm)。
实施例5
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本实施例中制备共享电极时使用的第一电极基底为碳纤维毡(中国北海碳素，厚度为482μm)，制备对电极时使用的第二电极基底为碳纤维毡(中国北海碳素，厚度为482μm)。
对比例1
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本对比例中步骤(2)未对碳纤维纸进行疏水处理，也即，本对比例中的步骤(2)为：
利用浓度为8mol/L的硝酸溶液对碳纤维纸进行氧化处理，处理温度为90℃，处理时间为5h，然后将其放入含有1.5mmol硝酸铁、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，于130℃的条件下水热处理12h，取出洗涤后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到单面负载钴酸铁活性材料层共享电极。
对比例2
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本对比例中步骤(2)未对碳纤维纸进行亲水处理，也即，本对比例中的步骤(2)为：
将浓度为100mg/mL的聚苯乙烯(PS)的氯苯溶液滴到碳纤维纸的一个表面上，140℃加热烘干后得到单面PS保护的碳纤维纸，作为第一预制电极；将上述第一预制电极放入含有1.5mmol硝酸铁、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，然后于130℃的条件下水热处理12h，以在上述第一预制电极的非PS保护面上形成钴酸铁前驱体，得到第二预制电极；利用氯苯清洗上述第二预制电极，溶解PS保护层，然后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到单面负载第一储能活性材料层(钴酸铁活性材料层)的第三预制电极；最后，将1H,1H,2H,2H-全氟硅烷的异辛烷溶液喷涂到上述第三预制电极未负载有第一储能活性材料层的一侧，并于100℃固化处理，最终得到具有一个疏水面的共享电极，其中非疏水面负载有储能活性材料钴酸铁纳米颗粒。
对比例3
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本对比例中步骤(2)未对碳纤维纸进行亲水处理和疏水处理，也即，本对比例中的步骤(2)为：
将浓度为100mg/mL的聚苯乙烯(PS)的氯苯溶液滴到碳纤维纸的一个表面上，140℃加热烘干后得到单面PS保护的碳纤维纸，作为第一预制电极；将上述第一预制电极放入含有1.5mmol硝酸铁、3mmol硝酸钴、15mmol尿素、9mmol氟化铵的水/乙二醇混合溶液(40mL)中，然后于130℃的条件下水热处理12h，以在上述第一预制电极的非PS保护面上形成钴酸铁前驱体，得到第二预制电极；利用氯苯清洗上述第二预制电极，溶解PS保护层，然后将其在空气中于300℃条件煅烧8h，得到单面负载第一储能活性材料层(钴酸铁活性材料层)的共享电极。
对比例4
按照实施例1的方法制备集成式光充电电容器，不同的是，本对比例中利用铜金属电极替换实施例1中制备的共享电极，利用铜金属电极替换实施例1中制备的对电极。
实验例1
按照不同的放电功率条件，分别测试实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器的容量，测试方法如下：
分别将实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器在AM1.5标准太阳光强条件下进行充电，此时入射光功率为100mW/cm2，充电结束后测试集成式光充电电容器在不同放电功率条件下的容量。
电容器容量的计算方法：
CF＝J×T/U，
其中，CF、J、T和U分别为电容器的质量比容量(F/g)、放电电流密度(A/g)、放电时间(s)和电容器电压(V)。
测试结果如表1所示。
表1各集成式光充电电容器在不同放电功率下的容量(F/g)
功率密度，mW/cm2 10 50 100 200 500
实施例1 402 395 350 323 289
实施例2 395 382 356 300 280
实施例3 350 321 284 268 249
实施例4 400 387 355 320 295
实施例5 396 379 300 269 251
对比例1 303 199 190 183 108
对比例2 301 199 189 157 120
对比例3 297 164 161 89 80
对比例4 201 198 100 66 50
实验例2
分别测试实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器在循环过程中的容量变化情况，测试方法如下：
分别将实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器在AM1.5标准太阳光强条件下进行充电，此时入射光功率为100mW/cm2，充电结束后将集成式光充电电容器进行0.1C倍率恒流放电循环测试，并记录循环过程中每周的放电容量。容量的计算方法与实验例1相同。测试结果如表2所示。
表2各集成式光充电电容器在循环过程中的容量(F/g)
循环次数，次 20 40 60 80 100
实施例1 412 395 402 398 400
实施例2 420 411 408 398 388
实施例3 398 379 340 289 280
实施例4 410 394 394 382 380
实施例5 379 376 369 368 360
对比例1 410 50 20 0 0
对比例2 408 0 0 0 0
对比例3 400 0 0 0 0
对比例4 206 193 90 50 39
实验例3
分别测试实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器在循环过程中的光电转换效率和器件总能量转换效率的变化情况，测试方法如下：
分别将实施例1-5以及对比例1-4制备的集成式光充电电容器在AM1.5标准太阳光强条件下进行充电，此时入射光功率为100mW/cm2，充电结束后将集成式光充电电容器进行0.1C倍率恒流放电测试，并记录循环过程中的光电转换效率和器件总能量转换效率。
太阳能光电转换效率(PCE)计算按照如下方法：
PCE＝JSC×VOC×FF/P×100％，
其中，JSC、VOC、FF和P分别为短路电流密度、开路电压、填充因子和入射光功率密度(100mW/cm2)。
器件的总能量转换效率计算方法如下：
η＝Edischarge/(P×S×T)×100％，
其中，Edischarge、P、S和t分别为放电能量、入射光强(100mW/cm2)、光活性面积(cm2)以及充电时间(h)。测试结果如表3和表4所示。
表3各集成式光充电电容器在循环过程中的光电转换效率(％)
循环次数，次 10 20 30 40 50
实施例1 13.0 12.6 12.3 12.2 12.1
实施例2 13.1 12.5 12.3 12.3 12.2
实施例3 12.9 12.3 12.2 12.3 12.1
实施例4 13.2 12.7 12.1 12.4 12.3
实施例5 13.0 12.5 12.4 12.3 12.3
对比例1 12.6 7.7 3.9 0 0
对比例2 12.0 0 0 0 0
对比例3 11.3 0 0 0 0
对比例4 11.0 11.0 10.9 10.8 10.1
表4各集成式光充电电容器在循环过程中的器件总能量转换效率(％)
循环次数，次 10 20 30 40 50
实施例1 10.7 10.0 9.4 9.3 9.3
实施例2 10.6 9.9 9.1 8.7 8.7
实施例3 9.5 9.0 8.7 8.0 7.9
实施例4 10.8 10.2 9.3 9.3 9.2
实施例5 9.6 8.7 8.8 8.3 7.9
对比例1 10.4 4.9 2.8 0 0
对比例2 9.9 0 0 0 0
对比例3 8.8 0 0 0 0
对比例4 9.9 9.4 8.5 7.3 7.3
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种集成式光充电电容器，其特征在于，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；
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。
2.根据权利要求1所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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；
所述第一储能活性材料层的厚度为20～40μm。
3.根据权利要求1所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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；
所述第一电极基底的厚度为200～500μm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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，
导电玻璃包括FTO导电玻璃和/或ITO导电玻璃；
和/或，钙钛矿包括甲脒型钙钛矿和/或甲胺型钙钛矿；
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。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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。
6.根据权利要求5所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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；
所述第二储能活性材料层的厚度为20～40μm。
7.根据权利要求5所述的集成式光充电电容器，其特征在于，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。
8.一种权利要求1～7中任一项所述的集成式光充电电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
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。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述共享电极的制备过程包括：
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；
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；
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；
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；
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。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，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)。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120219831A1 (en) * 2009-08-20 2012-08-30 Nanyang Technological University Integrated electrode architectures for energy generation and storage
CN104900672A (zh) * 2015-04-27 2015-09-09 电子科技大学 一种钙钛矿太阳能电池-超级电容器结合的集成器件
CN109599270A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 清华大学 一种光电自储能器件的制备方法
CN113690059A (zh) * 2021-08-19 2021-11-23 辽宁大学 一种FeCo2O4//AC水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120219831A1 (en) * 2009-08-20 2012-08-30 Nanyang Technological University Integrated electrode architectures for energy generation and storage
CN104900672A (zh) * 2015-04-27 2015-09-09 电子科技大学 一种钙钛矿太阳能电池-超级电容器结合的集成器件
CN109599270A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 清华大学 一种光电自储能器件的制备方法
CN113690059A (zh) * 2021-08-19 2021-11-23 辽宁大学 一种FeCo2O4//AC水系非对称光辅助超级电容器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RUHAO LIU, ET AL.: ""A photocapacitor based on organometal halide perovskite and PANI/CNT composites integrated using a CNT bridge"", 《J. MATER. CHEM. A》, vol. 5, 10 October 2017 (2017-10-10), pages 23078 - 23084 *

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