可穿戴光充自供電系統(tǒng)是一門結(jié)合多方向多領(lǐng)域的前沿科學(xué)研究體系。它結(jié)合了能源轉(zhuǎn)化技術(shù)、能源儲存技術(shù)、可穿戴柔性電子學(xué)和生物智能傳感等新興技術(shù),在人機互動、VR眼鏡、智能顯示、生命體征監(jiān)測等方向具有十分廣泛的應(yīng)用前景。但是目前的發(fā)展瓶頸主要是整體能量轉(zhuǎn)化效率低、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)之間兼容性差以及可穿戴場景下耐用性有限等問題�；谶@些問題,本文從兩個方面來合理設(shè)計可穿戴的光充自供電系統(tǒng)。（1）高光電轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池系統(tǒng)選擇以及高儲能效率的儲能系統(tǒng)構(gòu)建,通過兩個高效系統(tǒng)的相互協(xié)同作用達到更高的整體能量轉(zhuǎn)換效率;（2）利用多種柔性電子器件的制備技術(shù)（打印技術(shù)、柔性封裝技術(shù)和激光切割技術(shù)）,賦予儲能器件與太陽能電池良好的兼容性,實現(xiàn)可穿戴光充自供電系統(tǒng)面向輕質(zhì)化、便攜化和微型化的方向發(fā)展。本文的主要研究內(nèi)容如下:（1）利用鈦酸鋰作為負極,商業(yè)活性炭作為正極,組裝了鋰離子混合電容器。在此基礎(chǔ)上,進一步采用軟包電池技術(shù),制備了柔性的鋰離子混合電容器,實現(xiàn)了最高60 Whkg-1的能量密度。把該柔性鋰離子混合電容器作為儲能系統(tǒng)與柔性的鈣鈦礦太陽能電池集成,實現(xiàn)了一體化可穿戴光充自供電系統(tǒng)的構(gòu)... 

【文章來源】：蘇州大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：96 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１自供電系統(tǒng)的各部分構(gòu)效關(guān)系圖

第一章緒論?可穿戴光充自供電系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)??行電能的輸出。??ａ?ｂ??．?Ｌｉｇｈｔ??？Ｔ?＾ｏｌｅ?Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ?Ｐｏｌｙｍｅｒ?｜??遍?ｕ??０；Ｅｔｅｃｔｆ〇ｎ??圖１－３模塊化的硅－鋰離子電池自供電單元。??例如，Ｈａｎ－ＤｏｎＵｍ等人設(shè)計的單片模塊化的自供電單元，由串聯(lián)的硅太陽能電??池作為光伏系統(tǒng)，全固態(tài)的鋰離子電池作為儲能部分，硅電池和鋰離子電池之間用一??層鋁電極作為公共的集流體，光照時，光生電子注入鈦酸鋰負極，空穴通過外電路導(dǎo)??入鈷酸鋰正極，對鋰離子電池進行充電。當沒有光照時，鋰離子電池對用電器進行供??電，達到儲存太陽能，自供電的作用６。??由于，太陽能電池與儲能系統(tǒng)之間通過導(dǎo)線連接，外電路中由于歐姆線損會損失??部分能量，但是相比于一體化的結(jié)構(gòu)，由于沒有多相的界面接觸以及極大的光生載流??子復(fù)合情況導(dǎo)致分立式結(jié)構(gòu)實際的整體能量轉(zhuǎn)化效率比較高。然而，由于外部的歐姆??連接，一方面一定程度上加劇了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得器件結(jié)構(gòu)笨重，冗雜。另一??方面開關(guān)的切換也給實際操作中帶來難度。??（２）?—體化結(jié)構(gòu)??與分立式結(jié)構(gòu)對應(yīng)的即為一體化結(jié)構(gòu)。一體化結(jié)構(gòu)舍棄了光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與儲能系??統(tǒng)的機械連接。光電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)體系高度的集成性，整個系統(tǒng)高度一體化。最常??見的即為在儲能系統(tǒng)中引入一個具有光響應(yīng)的半導(dǎo)體光電極。光照時，光電極可以吸??收太陽光產(chǎn)生光生電子和空穴，光生電子和光生空穴強的還原性和氧化性可以部分或??者完全還原和氧化儲能系統(tǒng)中的氧化還原活性組分，從而來達到存儲太陽能的目的７－??９。圖ｌ－２ｂ是第一種一體化光充自供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括三個電極分別為：

＇?ｅ＇?ａ?１?充電電壓?？?ａ＇?ｃ￣?ｍ??ｇ?＾?５???￥￥—ｆ—負極活性組分ｇ?導(dǎo)帶?ｇ?再帶ｐ▲負極活性組分??Ｐ?……—丨——Ｐ…?＿?薄????Ｉ?＾?＊?ｔ?＾?ｅ?＾?ｔ?ｋ?ｓ?ｉ?＾??１?Ｈ半導(dǎo)體?＃?Ｉ?半導(dǎo)體?Ｋ?Ｉ?半男體?Ａ?Ｉ?＇＇半男體?多??一／＊■＊＊－＊?＇?ｐ?ｏ??ｉ?■?：１與＃正極活議■?ｉ－＃；正＿組分?Ｉ?；；±＾Ｖ；；；－＇ｌ－ｕ＾??￣正極活性組分?正極活性組分??圖１－４半導(dǎo)體光電極與正負極活性組分的能級關(guān)系圖。??圖１－４總結(jié)了半導(dǎo)體光電極和正負極活性組分的能級關(guān)系圖。ａ圖展示了半導(dǎo)體??材料的導(dǎo)帶價帶與儲能系統(tǒng)的正負極氧化還原電勢之間的關(guān)系圖。由圖可知，正極材??料的氧化還原電勢比半導(dǎo)體光電極的價帶位置更正，意味著半導(dǎo)體的光生空穴無法將??正極材料氧化，同理，負極材料的氧化還原電勢比半導(dǎo)體光電極的導(dǎo)帶更負，因此光??生電子無法將負極材料還原。ｂ圖展示了與ａ圖完全相反的情況，此時，光生的電子??和空穴都能夠?qū)⒄摌O的活性物質(zhì)進行氧化和還原，達到了直接光充光化學(xué)電池的Ｈ??的，充電過程只需要光就可以完成。ｃ圖中，半導(dǎo)體的價帶位置比正極活性組分的軾??化還原電勢更正，空穴可以將正極氧化，相反，導(dǎo)帶位置比負極活性物種的氣化還原??電勢更正，無法將負極還原，因此充電過程僅僅靠光是無法完成的，志要額外的電能，??５??


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