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基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

2020年01月18日 10:54 ? 次閱讀
網絡,用來檢測室內人體活動,門窗打開或關閉等狀態,在必要的場合使用能源,而不必要的場合能自動節約能源,實現舒適和節能的目標。

在傳感器網絡的實際使用中,電源是挑戰課題之一。通過用來減少能耗的傳感器節點達到節能的效果,為了更舒適的生活,我們從未放棄對節點自由安裝的研究。村田制作所考慮到環境發電技術不適用于這種傳感器節點的電源中,利用壓電效應的振動發電、將溫度差轉換成電能的熱電轉換元件,還有本章介紹的光發電技術的多種發電設備正在開發當中。

光發電技術

人類活動的場所最好是有光線的。收集這種普遍存在于人們生活中的環保能源并轉換成電能,運用于電子設備中的就是光發電技術。這種光發電技術一般使用非晶硅太陽能電池含羞草,而使用于傳感器節點的電源即使是室內微弱的燈光也可發電,其入射光的角度依賴性很小,并且以輕薄、不易斷裂的發電設備為宗旨,這就是村田目前正在開發的以鋅作為原料,色素增感型光發電技術。

含羞草 色素增感型光發電構造如圖1所示。上使用了樹脂膜,在板上形成透明電極,而在工作電極端的上方則通過絲網印刷等過程形成多孔半導體膜,這種膜吸附色素。相反電極是在透明電極上形成Pt等觸媒,這樣就形成了由2層電路板來密封電解質的構造。

含羞草 色素增感型光發電技術的發電原理即下面反復的氧化還原反應。

1. 對吸附色素的半導體膜上進行光照、色素發射電子。

2. 發射出的電子經由半導體膜、透明電極等移動到相反電極。

3. 通過相反電極上電解質中的三碘化物I3-由催化劑作用還原成碘化物離子3I-。

4. 碘化物離子3I-被色素酸化又變回三碘化物I3-。

基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

含羞草 圖1: 色素増感型光發電設備的構造

含羞草 我們在制作這種設備時,重點是盡可能將多孔半導體膜的表面積做大。一般來說要用二氧化鈦作為半導體膜,并且需要經過400度以上的高溫燒制過程,而作為電路板來說是不可能使用這種膜的。因此,村田制作所以山形大學吉田司教授的技術指導為基礎,利用了氧化鋅在低溫條件下可形成多孔半導體膜的原理,開發了使用樹脂模,輕薄、不易斷裂的色素增感型光發電設備(參照圖2)。

基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

含羞草 圖2: 色素増感型光發電設備的照片

現在,電解質、色素這類材料的組合、工藝條件進展的優化,目標是即使在200lux以下微弱的室內光中,也能獲得比非晶硅更多的發電量而優化的開發。可是目前在評價用的單元格中、在200lux白色下只能達到7μW/cm2以上的發電量,即與非晶硅同等或以上的發電量。

使用光發電無線傳感器網絡的應用實例

含羞草 使用光發電技術收集室內光這種普遍存在于人們生活中的環保能源并轉換成電能,面向無線傳感器網絡的應用實例介紹如下。

未來通過HEMS/BEMS來謀求使用最少的能源獲得舒適的生活,通過人體感應傳感器、磁感應傳感器以及溫濕度傳感器來檢測人體活動,門窗閉合或開啟的狀態,房間的溫濕度,檢測到的數據通過無線傳輸,從而能夠自動控制。這就是“無線感知系統(參照圖3) ”。

這種“無線感知系統”中傳感器節點的電源使用了光發電技術,還使用了無線通信來傳輸檢測到的數據,不需要外部電源,可輕松設置。今后,為了實現免維護的傳感器節點,在光發電技術的開發中,將通過提高特性來實現設備小型化與長期高可靠性的結合。

基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

圖3: 無線感知系統

結語

村田制作所在橫浜的智能社區※3●智能小區※4內設置了安裝該光發電技術的無線感知系統實驗儀器(參考圖4),在接近實際環境的室內使用光發電技術來獲得能源,除了評估能否穩定的傳輸和接收檢測到的數據,從而把握客戶需求,通過無線感知系統調查所使用的對性能和可靠性的需求。此外,將來還會對能量收集市場的技術開發以及新產品的研發展開研究。

基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

含羞草 傳感器網絡應用實例

基于氧化鋅開發色素增感型光發電技術的設計研究

圖4:橫浜智能社區●智能小區內設置的“無線感知系統”

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