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        1. 電子發燒友網 > 電源/新能源 > 正文

          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

          前言

          現在HEMS、BEMS能源管理系統正在開發當中。這是一種建筑物中用來管理使用器械、設備運轉的系統,其目的是為了減少建筑物中的能源消耗。目前,HEMS/BEMS主要致力于將能源消耗量可視化,今后將會結合傳感器網絡,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,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氧化鋅作為原料,色素增感型光發電技術。

          色素增感型光發電構造如圖1所示。電路板上使用了樹脂膜,在電路板上形成透明電極,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。

          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

          圖1: 色素増感型光發電設備的構造

          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

          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??墒悄壳霸谠u價用的單元格中、在200lux白色LED照明下只能達到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

          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電子元器件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

          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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          日前,Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代號:VSH)推出兩款....
          發表于 2020-01-15 14:31? 91次閱讀
          Vishay推出全集成新型接近傳感器 提高了消費...

          2019年半導體銷售額同比下降11.9%,英特爾...

          1月15日消息,據國外媒體報道,美國市場研究機構Gartner(高德納)周二發布了2019年全球半導....
          發表于 2020-01-15 14:30? 378次閱讀
          2019年半導體銷售額同比下降11.9%,英特爾...

          有哪一些物聯網無線技術是領先的

          雖然蜂窩移動網絡不適用于大多數由電池供電的傳感器物聯網應用,但它們卻非常適合特定的使用情形,例如交通....
          發表于 2020-01-15 14:28? 111次閱讀
          有哪一些物聯網無線技術是領先的

          現在的物聯網潛力發揮出來了嗎

          將物聯網數據完全放到“黑匣子”里可能會使你難以從數據中獲得額外和/或意外的價值。相反,將數據存儲到基....
          發表于 2020-01-15 14:17? 81次閱讀
          現在的物聯網潛力發揮出來了嗎

          EMI濾波器的結構很重要,忽視的后果很嚴重……

          從抗電磁干擾角度來說,電源EMI濾波器實際是一個只允許直流和工頻通過的低通濾波器,即從零頻(直流)至截止頻率(...
          發表于 2020-01-15 08:00? 392次閱讀
          EMI濾波器的結構很重要,忽視的后果很嚴重……

          關于CD4011集成塊中電源和地的連接問題

          CD4011是集成塊,但在仿真的時候是用4個2輸入與非門,那請問電源和地怎么給它連上。如這個仿真圖所示。 ...
          發表于 2020-01-13 17:03? 392次閱讀
          關于CD4011集成塊中電源和地的連接問題

          不知道溫度傳感器型號,只知道該傳感器對應溫度的函數,可以寫程序嗎?

          發表于 2020-01-11 17:13? 209次閱讀
          不知道溫度傳感器型號,只知道該傳感器對應溫度的函數,可以寫程序嗎?

          在書上看到一個電路,不太明白框內部分在電路中起到什么作用?

          在書上看到一個電路,不太明白框內部分在電路中起到什么作用 ...
          發表于 2020-01-10 09:22? 521次閱讀
          在書上看到一個電路,不太明白框內部分在電路中起到什么作用?

          運算放大器如何選擇電源電路?詳解單電源電路的奧秘

          在過去,有許多優秀的運算放大器電路的集合,但他們都專注于分供電路。...
          發表于 2020-01-10 08:00? 999次閱讀
          運算放大器如何選擇電源電路?詳解單電源電路的奧秘

          常用的位移傳感器有哪些?

          提到位移傳感器,大家就會想到很多種,比如非接觸的有激光位移傳感器和超聲波位移傳感器還有接近開關。接觸式的位移傳...
          發表于 2020-01-09 11:29? 211次閱讀
          常用的位移傳感器有哪些?

          支持外設接口的雙電源電路拔掉USB時系統短暫掉電,請教這是什么原因?

          如圖是一款便攜式設備,7.4V鋰電池供電,支持USB充電。設計了一個雙電源切換電路如下:使用時,USB插入時,能正...
          發表于 2020-01-07 09:21? 766次閱讀
          支持外設接口的雙電源電路拔掉USB時系統短暫掉電,請教這是什么原因?

          硬件電路學習體會——多款常用的電源轉換電路的設計

          現在主流的電源設計,電源模塊一般出一路直流電源,例如+28V、+24V、+12V(稱為一次電源)這樣電源模塊的主要作用就...
          發表于 2020-01-06 15:03? 957次閱讀
          硬件電路學習體會——多款常用的電源轉換電路的設計

          六軸無人機分電板

          分享一個簡單的六軸分電板設計 19年自己組裝了一臺大四軸,當時瞧不上某寶幾塊錢的分電板于是自己動手畫了一個???..
          發表于 2020-01-04 16:26? 889次閱讀
          六軸無人機分電板
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