衣物式便携太阳能充电器

卫倩

摘要：衣物便携式太阳能充电器，顾名思义就是在人们的衣物上安装一个太阳能充电器。它利用单片机的智能性对电路进行控制，利用光伏发电的原理将太阳能转换为电子产品所能利用的电能，从而解决了人们外电子产品没电时的问题。首先，相对于普通充电器来说，它的充电效率高，而且对环境无污染，是一种高效、节能、环保的电子产品，对当前的环境污染严重、能源利用效率低等现状有很大的改善。其次，它的造型简单、携带方便，提高了人们的生活水平。

关键词：衣物式;便携;太阳能;可充电;创新

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）28-0243-03

Abstract：As the name implies， the clothing portable solar charger is to install a solar charger on people's clothing. Using the intelligent control circuit of single-chip microcomputer and the principle of photovoltaic power generation， the solar power generation is transformed into the power consumption of electronic products， thus solving a big problem. Compared with the ordinary charger， it has high charging efficiency and no pollution to the environment. It is an efficient， energy-saving and environmental protection electronic product， which greatly improves the current situation of serious environmental pollution and low energy utilization efficiency. Moreover， it is simple in appearance and convenient to carry， which greatly improves people's fast-paced living conditions.

Key words： clothing type; portable; solar energy; rechargeable; innovation

1引言

科技發展越来越快，人们对电子产品的研究也日渐深入。从富兰克林发现电，到迈克尔法拉第发明了电，再到爱迪生应用了电，人们对电力的依赖越来越强烈。

现代人经常遇到出门在外时电子产品没电而无法使用的情况。当随身携带的手机电脑、小电扇与USB灯等等电子产品电源耗尽，这些工具就变成了无用且占地方的“麻烦”。因此人们意识到随时随处可充电的充电器有多么重要。

而为什么我们以太阳能作为能源？

首先，在白天最易得到的便是太阳光。我们将太阳光作为能源，能使此产品更好地服务于大众。

其次，煤炭与石油等常规能源随着人类活动而日益减少，而保护常规能源与环境的太阳能早已应运而生。例如太阳能汽车、太阳能车站与太阳能路灯，以及太阳能飞机、谷歌的太阳能气球等等。

再次，常规能源的使用不仅导致其储量减少，还造成了严重的环境污染。江南煤都的江西萍乡中巨源村就是个惨痛的案例，而这不仅仅是个例。依靠煤生活的村民或多或少都感染了“氟病”。当村子里的煤逐渐消失，村子里的人也随之离去。无煤可挖的煤老板们、找寻更好发展的年轻人以及与家人团聚的部分老年人们都离开了，村子就这么没落了。也许不超过二十年，这个村子会消失在所有人的印象中。这也就是为什么我们倾向于保护环境的新型能源。

衣物式太阳能充电器可以保护环境，让人们享受阳光的同时给人们使用的电子产品注入活力。

2衣物内布料的布料材质和颜色选择

2.1布料的作用

十九大报告明确指出，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾。可见随着人们在全面建成小康社会的方针下，已经不再只执着于物质生活，人们开始注重品质问题。

布料不仅仅给人们带来舒适的穿着体验感，它还在一定程度上减轻电子元件破裂时带来的身体腐蚀情况。

2.2布料的材质选择

考虑到单一布料的优缺点过于明显，本产品趋向于使用涤纶和亚麻的合成布料。涤纶在绝缘、防水、耐热性与色牢度方面优点明显。布料染成红色后无须担忧掉色问题。而涤纶的缺点也很突出。首先涤纶的吸湿性差，会给穿着者带来炽热感还易静电。[1]其次涤纶容易感染尘埃，不利于清洁。

而选择与亚麻搭配是由于它的吸湿性好[2]具有非常好的调湿性能，可以保持空气湿度的相对稳定效果，因此降低了涤纶给皮肤带来的枯燥感觉。

2.3布料的颜色选择

在紫外线防护性能方面，红色远远超出于其他颜色。[3]另外，加入二氧化钛防晒的红色布料对于紫外线的避免效果也更好。[4]并且二氧化钛作为常用物理防晒霜的材料，对人体也不会造成损害。因此，加入二氧化钛的红色布料为首选。

3有机薄膜太阳能电池的优化

3.1传统太阳能电池市场现状

目前可做太阳能电池的材料共有五种，一是硅材料、二是有机材料、三是多元合物薄膜材料、四是多层聚合物修饰电极型太阳能材料、五则是纳米晶材料。市场普遍采用的主要是非晶硅与多晶硅薄膜，它们凭借大约9%-14%的转化率成为市场的宠儿。

可为何这些流行的太阳能电池渐渐没落了？

首先多晶硅作为原材料其价格比较高，其次非晶硅薄膜中材料较活泼，会影响太阳能的转化为电能的速度。因此有机薄膜太阳能电池进入人们视线。

3.2有机薄膜太阳能电池的优势

有机薄膜太阳能电池，与其余太阳能电池相比共有四大优势：[5]

一、价格优势。简单易取的原料并不烦琐的制作工艺，对于环境完全友好，为了减低成本和减短制作周期。有机薄膜太阳能电池采用印刷和涂布的方式，就像制作报纸和杂志一样快速。

二、更轻薄。有机薄膜太阳能电池的厚度仅是多晶硅太阳能电池硅片厚度的1/500;并且还具有卷曲的功能;这是一项新的突破。

三、可选颜色多种多样。有机薄膜太阳能电池通过可以通过调节分子结构来改变材料的吸光范围，而改变它的颜色。物体颜色的呈现是由于物体吸收了部分光，排斥了部分光，所排斥的光的总和就成了我们所看见的颜色，而有机薄膜太阳能电池可以吸收从近紫外到近红外的全光谱系列，这给人们带来了更好的视觉享受。

四、可以做到透明的太阳能电池。当电池吸收的光在近红外区域便可以实现完成光电转换的同时，还能像一块普通玻璃一样，并且目前透明电池的光电转换效率也达到了7.3%。

3.3加入石墨烯和光导纤维的有机薄膜太阳能电池

众所周知，制作有机光伏电池有一种柔韧性很好的碳原子薄膜透明材料，这种新的材料叫作石墨烯。它是有一层导电性极好的碳原子组成的。它的厚度仅是原子级别，用它制作的石墨烯有机光伏电池可自由选择大小。

石墨烯光有机光伏电池的光电转化效率虽然远远比不上太阳能硅电池。例如每平方米的太阳能硅电池被1000瓦的太阳光照到，能转化为把14瓦的电力。但是同样面积的石墨烯有机光伏电池只能转化出1.4瓦的电力，仅为太阳能硅电池的1/10，可是它的价格十分低廉。[6]

光纤太阳能电池中的光导纤维，这些光导纤维像一个极细的人类的头发丝。[7]它使用高压化学气相沉积技术，可以使得n、i和p型的非晶硅植入玻璃质的光纤。与常规的太阳能电池相比同样是通过了光生伏打效应产生电能，但是丝毫不影响太阳能电池的转化效率。[8]

有机薄膜太阳能电池本身最低转化效率就比传统的太阳能电池要高，那么在其中加入石墨烯和光导纤维将会极大地增加有机薄膜太阳能电池的市场竞争力。

4新型碳材料在染料敏化太阳能电池的应用

4.1碳纳米管与二氧化钛在光电极的应用

从Prashant V Kamat[9]首先将碳纳米管作为引入染料敏化太阳能电池的光活性电极，让电子可以从半导体内部移动到电极中的碳基结构。再到Kun-Mu Lee等人在二氧化钛电极中加入多层碳纳米管，第一次真正研究了多层碳纳米管在染料敏化太阳能电池中所带来的巨大影响。当多层碳纳米管的含量在合适的范围内增加，电荷传递电阻也会同时也会随之增大。[10]

当碳纳米管的含量少时，电子的寿命会增长，同时电池的转化效率会达到较高，所以我们考虑的是将多层碳纳米管的含量控制在0.09%。

站在巨人肩膀上的Thanyarat Sawatsuk等人更深入地研究了复合电极中多层碳纳米管的含量对光电转化效率的影响。他们的实验得到在二氧化钛中加入的多层碳纳米管的质量分数只需Kun-Mu Lee等人实验时的1/4，便能得到最好的结果，电池的转化效率可达到了Kun-Mu Lee等人实验结果两倍。[11]

将碳材料与二氧化钛一起作用于电极中，提高电极活性的同时，也可以促进电子的移动，并且减少裂纹的产生。

4.2碳纳米粉在对电极中的应用

Prakash Joshi將碳纳米粉与二氧化钛混合作为对电极的时候，其效率与Pt作为对电极时仅有约1%的差异。因此碳纳米粉加上二氧化钛会给染料敏化太阳能电池带来一个新的可能。[12]

S.Gagliardi等人研究结果可以得到碳纳米管的电荷传递电阻的大小是pt催化电极大小的1/10。因此，多层碳纳米管比pt电极有更低的串联电阻和电荷传递电阻。它可以使得染料敏化太阳能电池对电极填充因子和效率有大幅度的提升。[13]

5总结

首先在布料上面选择有二氧化钛涂层的红色的涤纶与亚麻的合成布料，在拥有最佳紫外线防护性能的同时，增加穿着舒适感。

太阳能电池早已成为市场的宠儿，而有机薄膜太阳能电池，凭借其价格优势、轻薄、多种色彩和完全透明，成了一匹“黑马”。所以再加入石墨烯和光导纤维，并不影响有机薄膜太阳能电池的轻薄，石墨烯本身就是一种碳原子薄膜的透明材料，光导纤维也是人类头发丝级别的厚度。因此加入石墨烯和光导纤维的有机薄膜太阳能电池，不仅不影响有机薄膜太阳能电池的优势，还极大地提升了有机薄膜太阳能电池将太阳能转化为电能的速度。

同时，我们也了解新型碳材料在染料敏化太阳能电池的应用。将碳纳米粉与二氧化钛的合成物应用于光电极，不仅能提高电极活性，而且极少产生裂痕。而碳纳米粉应用于电极时，也很大程度上加快了光能转化为电能的效率。

因此衣物式薄膜太阳能电池是在追求舒适度的同时，尽可能地提升太阳光转换为电能的速度。

6展望

当传统能源的储量慢慢减少，太阳能电池拥有巨大的机会。因为太阳能电池在很大程度上不仅可以提供能源还可以降低对环境的污染。

随着人们越来越习惯电子产品的使用，随身可携带的、转化率较高的、轻便的太阳能电池会迅速占领市场，在人们的生活中留下浓墨重彩的一笔。按照目前的技术，衣物式便携太阳能充电器已经不是幻想，而是切实可行的技术。

参考文献：

[1] 李淑芳，夏冬，刘文静.环保型亲水整理剂对涤纶湿巾吸湿性的改善[J].染整技术，2018.

[2] 姜生，王滨立，史加强.亚麻纤维及织物吸湿、散湿性能的研究[J].黑龙江纺织，2001（4）：4-8.

[3] 李靖（翻译）.穿蓝色和红色服装，不再惧怕紫外线[J].英语沙龙：初级版，2009（12）：41-41.

[4] 徐存英，段云彪.纳米二氧化钛在防晒化妆品中的应用[J].云南化工，2004（3）：38-40.

[5] 太阳能电池的材料革命——有机薄膜太阳能电池[J].设备管理与维修，2014（2）：73-73.

[6] 新型太阳能电池可做发电衣服[J].发明与创新（综合科技），2010（9）：37.

[7] 可以作为太阳能电池使用的硅光纤[J].技术与市场，2013（1）：150.

[8] 无.光纤太阳能电池：能做衣服的电池[J].机械工程师，2013（1）：I0010-I0010.

[9] KAMAT P V.Harvesting photons with carbon nanotubes [J].Nanotoday， 2006（1）：20-27.

[10] LEE K M，HU C W，CHEN H W，et al. Incorporating carbon nanotube in a low-temperature fabrication process for dye-sensitized TiO2 solar cells [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells， 2008（92）：1628-1633.

[11] KAMAT P V. Harvesting photons with carbon nanotubes [J].Nanotoday， 2006（1）：20-27.

[12] PRAKASH J， XIE Y， MIKE R， et al. Dye-sensitized solar cells based on low cost nanoscale carbon/TiO2 composite counter electrode[J]. Energy & Environmental Science， 2009（2）：333-440.

[13]GAGLIARDIS， GIORGI L， GIORGI R，et al Impedance analysis of nanocarbon DSSC electrodes [J]. Superlattices and Microstructures， 2009， 46：205-208.

【通聯编辑：王力】