一种用于太阳能水电联产的防水连接层、制备方法、专用装置

技术领域

本发明涉及太阳能光伏领域和光热转换技术领域，具体涉及一种用于太阳能水电联产的防水连接层、制备方法、专用装置。

背景技术

随着全球人口增加气候变化加剧，社会和经济发展迅速，人们对水电资源的需求越来越大。然而水和能源的关系错综复杂，人们通常只能通过无关的方式分别获取净水资源和电能资源。当同时需要水和电时，人们需要分立的占地面积和基础设施，故而会带来较高的成本，得到较低的能源利用率。

近年来，光伏产业蓬勃发展，太阳能电池的成本稳步降低，而转化效率逐渐提升。目前来说，单级太阳能电池的效率依旧在30％以下，使得大部分的太阳光能量(70％)依旧被浪费掉。对于光伏器件来说，高能光子(高于带宽)在部分被吸收后，都会以热的方式(掉落到带边的热化热)耗散掉。而低能光子(低于带宽)则会由于被困在电池中或者透过电池而不能被利用。对于电池来说，热化热带来的温度升高会损害电池的工作性能(效率或稳定性)。

在海水淡化方面，近年来在降低成本，提高能源利用等方面进展显著。但需要注意的是，反式渗透膜的水处理技术已经接近热力学的极限。对于海水淡化的进一步发展，廉价能源和是否环境友好依旧是两大重点关注的议题。

光伏技术和反式渗透膜技术是目前生产环境友好的电能和净水资源的主流技术。光伏和反式渗透膜联用成为了持续同时供给电能和净水资源的重要方式之一。这种级联的系统首先通过光伏技术产生绿色电能，随后电能驱动反式渗透膜，产生淡水资源。然而，这个级联系统的太阳能转化效率被单级光伏的shockly-queisser极限(33％)所限制。此外，建立这样的联合系统，需要针对光伏和反式渗透膜系统规划分立的占地面积和建造不同的基础设施，增加了整个系统的成本和复杂性。水和电的联产引起了人们广泛的兴趣，研究人员也对太阳能产水产电领域进行了诸多研究。一些工作在基于太阳能光热技术的基础上进行。例如在海水淡化过程中利用盐浓差同时发电，或是利用形变同时产电。尽管它们有着和独立的光热转化器件一样高的太阳光利用率，但是电的产量都不尽如人意，通常在一个太阳光强下小于1W m

发明内容

本发明为了解决太阳能光伏器件中大部分太阳能的浪费、热化热对光伏器件性能损坏、水和电能同时获取的困难等问题，设计了一种用于太阳能水电联产的防水连接层、制备方法、专用装置，该装置可利用全谱太阳光，使顶部的红外透明电池产生绿色电能，底部的太阳能水净化系统淡化海水或污水。我们在顶部电池和底部纯化系统中设计了一个防水连接层(WTIL)，该防水连接层同时具有较好的传热功能，使得电池和纯化体系级联起来，两者协同工作。利用这个级联协同水电联产器件，可以在一个太阳的光照下，实现204W m

一种用于太阳能水电联产的防水连接层，其特征在于，所述的防水连接层为负载有陶瓷颗粒和/或碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层；或负载有陶瓷颗粒和/或碳纳米管的聚二甲基硅氧烷层；或玻璃层；或塑料层，且该层的一侧表面有亲水性的亲水层。此处“该层”是指的负载有陶瓷颗粒和/或碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层；或负载有陶瓷颗粒和/或碳纳米管的聚二甲基硅氧烷层；或玻璃层；或塑料层。

优选的，所述的防水连接层为加载有三维碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层或石英玻璃层，且该层的一侧表面有亲水性的亲水层。

优选的，所述的防水连接层为负载有三维碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层时，其是由三维碳纳米管薄膜和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜组成，所述的三维碳纳米管的管径为200-400nm，三维碳纳米管的管间距为200-500nm；和/或，所述的三维碳纳米管薄膜的厚度为40-60μm，所述的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜的厚度为100-200μm；或

所述的防水连接层优选为石英玻璃层，石英玻璃层厚度为10-500μm。

更进一步优选的，所述的防水连接层为负载有三维碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层，所述的三维碳纳米管的管径为200nm或300nm或400nm，三维碳纳米管的管间距为200nm或400nm或500nm；和/或，所述的三维碳纳米管薄膜的厚度为40μm或50μm或60μm，所述的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜的厚度为100μm或150μm或200μm；或

所述的防水连接层为石英玻璃层，石英玻璃的厚度为250μm。

优选的，防水连接层为加载有三维碳纳米管的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物层时，防水连接层的制备方法包括如下步骤：

(1)将三维碳纳米管薄膜贴合在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜上；

(2)真空加压加热步骤(1)所得的薄膜，所述的加热温度为100-200℃，加压压力为1×10

(3)将步骤(2)的三维碳纳米管薄膜面用等离子体进行表面处理；

所述的防水连接层为石英玻璃层时，防水连接层的制备方法包括如下步骤：用碱性溶液处理石英玻璃层的至少一侧表面。

优选的，一种用于太阳能水电联产的防水连接层的专用装置，其特征在于，包括太阳能光伏器件、上述所述的防水连接层、水纯化装置，所述的水纯化装置包括亲水材料层和水收集装置；

所述防水连接层具有亲水层的一侧与亲水材料层接触或连接，防水连接层的另一侧与太阳能光伏器件接触或连接，所述的水收集装置设置在亲水材料层的另一侧，所述的亲水材料层端部与待净化的水连接。

优选的，所述的太阳能光伏器件为红外透明太阳能光伏器件。

优选的，所述的太阳能光伏器件为单硅或多晶硅、砷化镓、CIGS、钙钛矿光伏器件。

优选的，所述的亲水材料层为包括碳基材料的材料层；和/或

所述的水收集装置被亲水材料层封闭。

优选的，所述的亲水材料层为吸水性纤维和碳基材料复合的材料层。

优选的，所述的吸水性纤维为棉质纤维、粘胶纤维和/或木质纤维素；所述的碳基材料为石墨烯或碳黑颗粒。

优选的，所述的亲水材料层的制备方法包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯纳米片或碳黑颗粒超声分散在水或乙醇中，所述的石墨烯纳米片或炭黑颗粒的浓度为2-10mg/ml；

(2)将步骤(1)所得的溶液涂敷在吸水性纤维上；

(3)将步骤(2)所得的材料在真空条件下加热，加热温度为50-200℃。

进一步的，水收集装置由铜杯或其他金属容器构成。

本发明具有如下至少一种有益效果：

本发明利用清洁的可再生能源太阳能驱动上层的光伏器件产生电能，同时驱动下部海水或者污水淡化过程的进行；

上层的光伏器件在吸收太阳能产生电能后，将额外产生的有害电池的热化热通过防水连接层传导到下部水纯化装置中，对水进行纯化；采用本发明的防水连接层，制备方法简单，传热效果更好；采用红外透明电池，透过电池的红外波段光能量也可被水纯化装置吸收，共同促进水纯化；因此，在此发明中，上部光伏器件的温度被降低，光电转化效率提升。亲水材料层选用含有碳基材料的材料层，同时与吸水性纤维结合，可提升亲水材料吸水的稳定性，吸水效果更佳；其中亲水材料层覆盖并封闭在水收集装置的容器口，避免水汽的泄露；本发明吸水材料层采用吸水纤维与碳基材料组成的复合材料层的制备方法简单、且吸水吸热的效果更好；在防水连接层上设置亲水层，可进一步使得水与电池接近，可以更好的吸收余热；本发明利用太阳能实现水电联产，不仅可应用至工业光伏电站，提高光伏电站的电能产出，并同时产生净水资源，也可作为便携装置，用于户外的生存支撑器件，提供电和水。

附图说明

图1为本发明器件的示意图

图2为本发明器件的顶部太阳能电池结构示意图

图3为本发明器件的防水连接层的示意图

图4为本发明器件的底部亲水材料层结构图

图5为独立式和串联式工作的硅电池伏安特性曲线图

图6为本发明中底部水淡化器件中的蒸发率变化曲线图。

图7为本发明中使用的钙钛矿太阳能电池示意图

图8为独立式和串联式工作的钙钛矿电池伏安特性曲线图

图9为独立式和串联式工作的钙钛矿电池稳定性曲线图

图10为处理海水时，水纯化效果图

图11为工业污水时，水纯化效果图

图12为生活污水时，水纯化效果图

图13为实施例1制备的防水连接层的截面的电镜图

1-太阳能光伏器件；2-防水连接层；3-亲水材料层；4-水收集装置；5-外接负载；6-待处理水源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中所用真空烘箱仪器型号为DZF-6020。所用原料如无特殊指定，均购自市场。

实施例1：

本明设计了一种太阳能水电联产装置(图1)，可以在太阳光照下同时产生电能和获得净水资源。本发明设计的此器件包括依次设置的顶层的太阳能光伏器件1、防水连接层2、亲水材料层3、水收集装置4、外接负载5。外接负载5为用电的电子元件。

所述太阳能光伏器件光伏器件1为红外透明硅电池。我们将180μm的P型硅片浸泡在氢氧化钾溶液中制绒，以在硅片上下两个表面制作随机的金字塔结构。随后，利用热扩散技术制备p+和n+层。紧接着，通过PECVD技术在电池两面镀80nm厚的SiNx层，作为有效的表面钝化层和上表面的减反射层。最后，通过丝网印刷在电池两面制作银栅线。电池结构示意图如下图2所示。

所述的防水连接层2由三维碳管和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜复合而成(3D-CNT-EVA)，如图3。我们将三维碳纳米管薄膜贴合在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜上，三维碳纳米管采用管径为200-400nm之间均可，三维碳纳米管的管间距处于200-500nm之间均可，三维碳纳米管薄膜的厚度为40-60μm均可；所采用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜厚度为100-200μm均可。本实施例中，三维碳纳米管采用管径为300nm，三维碳纳米管的管间距处于200nm，三维碳纳米管薄膜的厚度为40μm；所采用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜厚度为100μm。将两种薄膜贴合后，夹于两特氟龙平板内，加压置于真空烘箱内加热1小时，加热温度为140℃，此处的加热温度在100～200℃范围内均可。加压压力为3×10

所述亲水材料层3由还原氧化石墨烯和无纺布纤维(粘胶纤维)复合而成。我们将氧化石墨烯(GO)纳米片分散在去离子水中，超声两小时，制备成为2-5mg ml

同时，电池导出的热量和太阳能的红外能量被下部的水纯化装置中的亲水材料层吸收利用，驱动泵水纤维上污水蒸发为热水蒸气。热水蒸气会进一步扩散至座下的纯净水容器中，在较凉的容器壁上冷凝成可饮用的纯净水。

如图1所示，防水连接层2的EVA疏水层和电池紧密相连，防水连接层2的VACNT层位于下方，与亲水材料层3贴合，亲水材料层3的端部与待处理的水源6接触，以将待处理的水源6吸收上去，亲水材料层3的底部设置有水收集装置4。工作时，亲水材料层3因其吸水性，将水不断得吸收到亲水材料层3与防水连接层2贴合部分。而硅太阳能电池吸收光能转化为电能时，会产生多余的热化热，同时由于本专利中所采用的硅太阳能电池为红外透明电池，因此多余的热量通过防水连接层2传导至亲水材料层3，亲水材料层3不仅可以泵水，吸热能力极佳，从而使得亲水材料层3吸收的水快速蒸发，蒸发的水蒸气向下遇到水收集装置4的壁，遇冷冷凝成水，滴入水收集装置4中。

对于硅太阳能电池，热化热会升高电池温度，继而在实际工作中影响电池的能量转化效率。在本发明中，电池中的热化热通过防水连接层2被底部水纯化装置利用，使得顶部太阳能电池1可以被有效冷却。当硅太阳能电池1的工作温度降低，光电效率可显著提高。我们将硅电池独立工作时的温度、产电性能与本发明硅电池和水蒸发串联系统中硅电池的温度、产电性能进行比较。在平衡态时(电池温度稳定)，在1个太阳和1.5个太阳下，硅电池独立工作时，其表面温度分别达到50℃和62℃。而在串联式的水电联产器件中，在1个太阳和1.5个太阳下，在平衡态时，电池表面温度分别为39℃和44℃。在1个太阳和1.5个太阳下，本发明可使电池表面温度分别下降了11℃和18℃。我们同时测量了两者的电学特性曲线(图5)，可见硅太阳能电池的性能得到显著提升，测量结果如下表所示：

从此表可见由于在串联式水电联产系统中硅太阳能电池被有效冷却，有效增大开路电压，提高填充因子，最终它的能量转化效率得到了显著的提高，分别在1个太阳下从18.9％升高到20.4％，在1.5个太阳下从18％升高到20.2％。一般而言，太阳能电池效率每提升1％，成本可下降7％，其对于降低成本的效果相当显著。

我们利用本发明可实现在太阳光下的水纯化。图6展示了本发明装置在不同太阳光强度照射下(0.5，1，1.5个太阳)运行时的水蒸发曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为净蒸发所致的质量变化量(即在太阳照射下，系统因蒸发的质量减少量减去不受光照下，系统因蒸发的质量减少量)。在0.5，1，1.5个太阳下，系统的净蒸发量分别为0.39，0.80和1.25kgm

我们同时计算了此器件的总太阳能利用率，在一个太阳下，总利用效率为光电效率加光-蒸汽效率，为74.6％。

实施例2

本明设计了一种太阳能水电联产装置(图1)，可以在太阳光照下同时产生电能和获得净水资源。本发明设计的此器件包括顶层太阳能光伏器件1、防水连接层2、亲水材料层3、水收集装置4、外接负载5。

所述太阳能电池为pin结构的铅锡钙钛矿太阳能电池，可透过红外波段太阳光。制备方法如下，首先利用旋涂法在透明导电玻璃(ITO)上制备一层电子传输层(TiO2纳米晶),将旋涂了电子传输层的透明导电玻璃放在热板上退火20分钟，取下冷却到室温，再在其上旋涂一层钙钛矿光吸收层材料(铅-锡卤化物)，并在100度下退火10分钟，再在制备好的带有钙钛矿光吸收层材料的衬底上制备一层空穴传输层，电子传输层为C60/BCP。该结构的电池的示意图如图7所示。

所述的防水连接层2采用10-500μm厚的透明石英玻璃。本实施例采用200μm的透明石英玻璃，我们将石英玻璃，放置于特氟龙容器中，并加入一定浓度的NaOH溶液，碱处理1-6小时后，水洗，并放入干燥箱内干燥1-2小时，使其获得良好的亲水性。随后将碱处理后的玻璃贴合在钙钛矿太阳能电池底面，用胶粘剂(环氧树脂)对玻璃与钙钛矿太阳能电池器件四周边缘进行封装，将此防水连接层和电池紧密相连。而碱处理玻璃具有良好的亲水性，能和下方的太阳能水净化系统紧密连接。

所述亲水材料层3由纳米级碳黑(CB)颗粒和无纺布纤维复合而成。我们将碳黑颗粒分散在乙醇，超声1小时，制备成为5mg ml

对于钙钛矿太阳能电池，热化热会升高电池温度，继而在实际工作中严重影响电池的能量转化效率以及稳定性。在本发明中，电池中的热化热通过防水连接层2被底部水蒸发淡化器件利用，使得顶部太阳能电池可以被有效冷却。当钙钛矿太阳能电池工作温度降低，光电效率，稳定性可显著提高。我们将钙钛矿电池独立工作时的温度、产电性能与本发明钙钛矿电池和水蒸发串联系统中钙钛矿池的温度、产电性能进行比较。在平衡态时(电池温度稳定)，在1个太阳下，钙钛矿太阳能电池独立工作时，其表面温度分别达到63℃。而在串联的水电联产器件中，在1个太阳下，在平衡态时，电池表面温度分别为40℃。在1个太阳下，本发明可使电池表面温度分别下降了23℃。我们同时测量了两者的电学特性曲线(图8)，可见在本发明系统中(串联式)钙钛矿太阳能电池工作时的开路电压和填充因子显著提高，光电转化效率亦大幅提升，如下表所示：

同时，钙钛矿太阳能电池稳定性得到极大提升(图9)，在一个太阳下，钙钛矿太阳能电池独立工作时，其能量转化效率(PCE)仅在60秒时就会明显下降，而在级联的水电联产器件中，在1个太阳下，其能量转换效率可以保持3000秒没有明显下降。

实施例3：

我们利用本发明的器件可净化不同种类的水源(海水，工业污水和细菌污染水)。其中海水是从渤海中取的水。纯化以后其中的主要离子钠、镁、钙和硼离子的离子浓度会有至少三个量级的下降(图10)，全部都符合世界卫生组织可饮用水的要求。对于工业污水(模拟配制：含有五种不同的离子，300mg L

实施例4

防水连接层2由三维碳管和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜复合而成(3D-CNT-EVA)，如图3。我们将三维碳纳米管薄膜贴合在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜上，本实施例中，三维碳纳米管采用管径为200nm，三维碳纳米管的管间距处于400nm，三维碳纳米管薄膜的厚度为50μm；所采用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜厚度为150μm。将两种薄膜贴合后，夹于两特氟龙平板内，加压置于真空烘箱内加热1小时，加热温度为100℃。加压压力为1×10

实施例5

防水连接层2由三维碳管和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜复合而成(3D-CNT-EVA)，如图3。我们将三维碳纳米管薄膜贴合在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜上，本实施例中，三维碳纳米管采用管径为400nm，三维碳纳米管的管间距处于500nm，三维碳纳米管薄膜的厚度为60μm；所采用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜厚度为200μm。将两种薄膜贴合后，夹于两特氟龙平板内，加压置于真空烘箱内加热1小时，加热温度为200℃。加压压力为10×10