本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯薄膜基光能電池和一種光能手機。

背景技術(shù)：

石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好的一種新型納米材料，其抗拉強度約為普通鋼的100倍，可以承受大約2噸的重量，并且具有良好的柔韌性。石墨烯的電子遷移率為硅中電子遷移率的140倍，溫度穩(wěn)定性高，面電阻比銅、銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。石墨烯的比表面積大，熱導(dǎo)率是硅的36倍，使得石墨烯在柔性導(dǎo)電薄膜方面具有重要應(yīng)用。在光學方法，單層石墨烯對可見光及近紅外波段光垂直的吸收率僅為2.3％，對所有波段的光無選擇性吸收，對從可見光到太赫茲寬波段的光都有吸收等。由于石墨烯的上述特性，石墨烯在移動設(shè)備、航空航天、新能源電池等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

很多消費者手機經(jīng)常沒電，為此有人隨身帶兩三塊電池板，甚至有人隨身帶著充電器，解決手機待機問題一直是廠商長期關(guān)注的問題。隨著手機多媒體海量應(yīng)用的出現(xiàn)，待機問題一直是困擾手機產(chǎn)業(yè)和消費者的桎梏，行業(yè)人士長期以來都希望能夠?qū)⑹褂梅奖?、?jié)能環(huán)保、安全可靠的太陽能技術(shù)移植到手機上來，使之成為手機在3g時代無線生活中長期穩(wěn)定的動能支撐。

國內(nèi)芯片企業(yè)在光電轉(zhuǎn)換芯片、低功耗芯片上還處于薄弱階段，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。此外，國內(nèi)一些太陽能單晶硅片企業(yè)出廠的太陽能硅片吸收率也普遍偏低，將直接影響產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)化效果。原來太陽能技術(shù)大多都是運用在露天、大屏、陽光直射的環(huán)境上，將這種技術(shù)植移到移動數(shù)碼產(chǎn)品無論是大幅單晶硅片的切割，還是小電流、小內(nèi)阻、慢色光等電路技術(shù)的實現(xiàn)根本查不到相關(guān)參考，其對廠商都是巨大的挑戰(zhàn)。如何在不影響手機美觀的情況下增大太陽能板的使用面積、優(yōu)化電池內(nèi)部管理、增強光電轉(zhuǎn)換等方面將是太陽能手機領(lǐng)域下一步技術(shù)發(fā)展的重點和難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種石墨烯薄膜基光能電池和光能手機，從而實現(xiàn)光能電池的薄膜化以及實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換模塊與手機的良好整合。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜基光能電池，其具有下層儲能結(jié)構(gòu)和位于下層儲能結(jié)構(gòu)上表面的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；其中，

上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)至少包括：第一底部石墨烯薄膜電極、垂直生長于第一底部透明石墨烯薄膜表面的第一納米棒陣列、以及覆蓋于第一納米棒陣列頂部的第一頂部透明石墨烯薄膜電極；

下層儲能結(jié)構(gòu)至少包括：與第一頂部透明石墨烯薄膜電極相電連的第二底部石墨烯薄膜電極、與第一底部石墨烯薄膜電極相電連的第二頂部石墨烯薄膜電極、夾在第二底部石墨烯薄膜電極和第一底部石墨烯薄膜電極之間的且與二者相垂直的第二納米棒陣列和固態(tài)電解質(zhì)，第二納米棒陣列分布于固態(tài)電解質(zhì)中；第二頂部石墨烯薄膜電極和第二底部石墨烯薄膜電極還分別設(shè)置有引出極；

上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將光轉(zhuǎn)換為電，存儲到下層儲能結(jié)構(gòu)中。

優(yōu)選地，所述第一底部石墨烯薄膜電極與所述第二頂部石墨烯薄膜電極直接接觸；或者，所述第一底部石墨烯薄膜電極和所述第二頂部石墨烯薄膜電極之間還設(shè)置有第三介質(zhì)石墨烯薄膜，用于隔離第一底部石墨烯薄膜電極和第二頂部石墨烯薄膜電極。

優(yōu)選地，所述第三介質(zhì)石墨烯薄膜為氧化石墨烯薄膜。

優(yōu)選地，所述第一頂部透明石墨烯薄膜電極表面還覆蓋有一層光增透膜。

優(yōu)選地，所述第一頂部透明石墨烯薄膜電極表面具有多個凹陷，使得第一納米棒陣列隨之呈高低起伏狀，從而增加對光的透過率。

優(yōu)選地，所述第一頂部透明石墨烯薄膜電極底部表面還設(shè)置有一層連續(xù)鈦合金薄膜，且所述第一納米棒陣列的頂部與所述連續(xù)鈦合金薄膜相接觸。

優(yōu)選地，所述連續(xù)鈦合金薄膜為透明的，其厚度不大于10nm。

優(yōu)選地，所述第一納米棒陣列中包含第一中空納米棒和第一非中空納米棒。

優(yōu)選地，第一非中空納米棒分布于所述第一底部石墨烯薄膜電極的中心區(qū)域，所述第一非中空納米棒圍繞所述第一中空納米棒設(shè)置。

優(yōu)選地，所述第二底部石墨烯薄膜電極表面還形成有一層活性金屬化合物層或聚陰離子材料層，所述第二納米棒陣列形成于活性金屬化合物層或聚陰離子材料層表面。

優(yōu)選地，位于所述石墨烯薄膜基光能電池的邊緣的所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個凹陷和凸起，用于緩沖對所述石墨烯薄膜基光能電池的擠壓。

優(yōu)選地，所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)呈向中心凹的彎曲狀，使得所述石墨烯薄膜基光能電池的邊緣突起。

優(yōu)選地，所述第一頂部透明石墨烯薄膜電極、第一底部石墨烯薄膜電極、第二頂部石墨烯薄膜電極和第二底部石墨烯薄膜電極均為單層石墨烯薄膜。

優(yōu)選地，所述石墨烯薄膜基電池中包括多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、以及位于多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述下層儲能結(jié)構(gòu)，多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中最底層的第一底層石墨烯薄膜電極與多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述下層儲能結(jié)構(gòu)中最頂層的第二頂層石墨烯薄膜電極相電連；多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中最頂層的第一頂層石墨烯薄膜電極與多個串聯(lián)或并聯(lián)的所述下層儲能結(jié)構(gòu)中最底層的第二底層石墨烯薄膜電極相電連。

為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種光能手機，在手機機身背面具有上述任一項的石墨烯薄膜基光能電池作為背面殼體，其中，所述上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和所述下層儲能結(jié)構(gòu)從背面殼體外側(cè)向內(nèi)依次設(shè)置；所述第一底部石墨烯薄膜電極和第二底部石墨烯薄膜電極上分別設(shè)置的引出極連接手機電路。

優(yōu)選地，所述石墨烯薄膜基光能電池還設(shè)置作為手機機身的側(cè)壁、以及手機機身正面的邊緣區(qū)域。

本發(fā)明的石墨烯基光能電池，利用第一頂部石墨烯薄膜同時作為光透過窗口和上電極，利用第一底部石墨烯薄膜電極作為高功函數(shù)電極與第一納米棒陣列共同構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換異質(zhì)結(jié)，從而實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)換為電能，再利用下層儲能結(jié)構(gòu)將電能存儲起來，并通過下層儲能結(jié)構(gòu)實現(xiàn)向外界放電；并且，下層儲能結(jié)構(gòu)中的第二頂部石墨烯薄膜電極與第二底部石墨烯薄膜電極分別與第一底部石墨烯薄膜電極和第一頂部透明石墨烯薄膜電極相電連，從而實現(xiàn)電能從上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)向下層儲能結(jié)構(gòu)的流動；由于第二頂部石墨烯薄膜電極、第二底部石墨烯薄膜電極、第二納米棒陣列均為納米級，厚度很薄，并且石墨烯薄膜本身有具有良好的可撓性和強度，使得所構(gòu)成的下層儲能結(jié)構(gòu)呈薄膜態(tài)，并且具有良好的柔性、可撓性和強度；同理，上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也呈薄膜態(tài)，并且具有良好的柔性、可撓性和強度，從而從整體上實現(xiàn)了光能電池的薄膜化、柔性、可撓性和強度。此外，當?shù)谝豁敳客该魇┍∧る姌O厚度較薄，甚至可以在一個或幾個原子層厚度時，從而使得第一頂部透明石墨烯薄膜電極具有良好的透光率，提高光的利用效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的光能電池的截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明的一個較佳實施例的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的第一納米棒陣列分布示意圖

圖3為本發(fā)明的一個較佳實施例的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的示意圖

圖4為本發(fā)明的一個較佳實施例的光能手機的側(cè)面示意圖

圖5為本發(fā)明的一個較佳實施例的光能手機的正面示意圖

具體實施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

以下結(jié)合附圖1～5和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

請參閱圖1，本實施例的一種石墨烯薄膜基光能電池，具有下層儲能結(jié)構(gòu)02和位于下層儲能結(jié)構(gòu)02上表面的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01。上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01將光轉(zhuǎn)換為電，存儲到下層儲能結(jié)構(gòu)02中。

這里的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01至少包括：第一底部石墨烯薄膜電極012、垂直生長于第一底部石墨烯薄膜012表面的第一納米棒陣列n1、以及覆蓋于第一納米棒陣列n1頂部的第一頂部透明石墨烯薄膜電極011。為了避免第一納米棒陣列n1發(fā)生斷裂或倒塌，在第一納米棒陣列n1之間填充絕緣有機材料p，例如pmma。

下層儲能結(jié)構(gòu)02至少包括：與第一頂部透明石墨烯薄膜電極011相電連的第二底部石墨烯薄膜電極022、與第一底部石墨烯薄膜電極012相電連的第二頂部石墨烯薄膜電極021、夾在第二底部石墨烯薄膜電極022和第一底部石墨烯薄膜電極021之間的且與二者相垂直的第二納米棒陣列n2和固態(tài)電解質(zhì)d，第二納米棒陣列n2分布于固態(tài)電解質(zhì)d中；第二頂部石墨烯薄膜電極012和第二底部石墨烯薄膜電極022還分別設(shè)置有引出極。

本實施例中，第一底部石墨烯薄膜電極012和第二頂部石墨烯薄膜電極021之間還可以通過設(shè)置第三介質(zhì)石墨烯薄膜03，來隔離第一底部石墨烯薄膜電極012和第二頂部石墨烯薄膜電極021，而第一底部石墨烯薄膜電極012和第二頂部石墨烯薄膜電極021之間的電連可以通過導(dǎo)線或其它半導(dǎo)體互連方式相電連。較佳的，第三介質(zhì)石墨烯薄膜03為氧化石墨烯薄膜。或者，第一底部石墨烯薄膜電極012與第二頂部石墨烯薄膜電極021可以直接接觸而相電連，這種情況下，第一底部石墨烯薄膜電極012與第二頂部石墨烯薄膜電極021為同一層薄膜。

這里，第一頂部透明石墨烯薄膜電極011和第一底部石墨烯薄膜電極012的厚度可以相同，也可以不相同，為了確保第一頂部透明石墨烯薄膜電極011的良好的光透過率，第一頂部透明石墨烯薄膜電極011可以為單原子層石墨烯薄膜或者2～3個原子層石墨烯薄膜。在不要求石墨烯薄膜基光能電池為透明時，第一底部石墨烯薄膜電極012的透明度也可以不做要求，第一底部石墨烯薄膜電極012的厚度不局限于單個或幾個原子層的厚度，甚至第一底部石墨烯薄膜電極012的厚度導(dǎo)致第一底部石墨烯薄膜電極012的光透過率下降也是允許的。

此外，本實施例的第一頂部透明石墨烯薄膜電極011表面還可以覆蓋上一層光增透膜(未示出)，用于提高光的入射效率。

本實施例中，還在第一頂部透明石墨烯薄膜電極011底部表面設(shè)置了一層連續(xù)鈦合金薄膜m，同時第一納米棒陣列n1的頂部與連續(xù)鈦合金薄膜m相接觸，這層鈦合金薄膜m可以是直接在第一頂部透明石墨烯薄膜電極011底部表面沉積或生長得到的。為了增加光透過率，鈦合金薄膜m為透明的，其厚度可以不大于10nm。鈦合金薄膜m設(shè)置于第一頂部透明石墨烯薄膜電極011與第一納米棒陣列n1之間，能夠使第一頂部透明石墨烯薄膜電極011與第一納米棒陣列n1形成良好的歐姆接觸，還能夠進一步增強第一頂部透明石墨烯薄膜電極011的強度。

較佳的，這里的第一納米棒陣列n1的材料可以為n型半導(dǎo)體納米線，例如ii-vi族的化合物半導(dǎo)體材料，而這里的第一底部石墨烯薄膜電極012作為高功函數(shù)高導(dǎo)電率電極，與第一納米棒陣列n1之間形成一定的歐姆接觸，提高了光能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，如圖2所示，本實施例的第一納米棒陣列n1中還包含有第一中空納米棒n11和第一非中空納米棒n12。第一中空納米棒n11和第一非中空納米棒n12的混合分布能夠擴寬對光的吸收范圍并且能夠延伸至近紅外波段，從而提高上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01的光轉(zhuǎn)換效率，使光生電流最大化。由于光能電池呈薄膜態(tài)，上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01也呈薄膜態(tài)，甚至有些場合需要光能電池進行變形來適應(yīng)不同需要，而薄膜態(tài)的中心位置最容易受力變形，為了提高上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01的變形能力、柔韌性和使用壽命，避免發(fā)生彎曲斷裂等問題，這里，請參閱圖2，將第一非中空納米棒n12分布于第一底部石墨烯薄膜電極012的中心區(qū)域，第一非中空納米棒011圍繞第一中空納米棒012設(shè)置。

同時，為了使光能電池可以直接作為外殼使用，提高光能電池的自支撐力，將上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01設(shè)置為向中心凹的彎曲狀，使得該石墨烯薄膜基光能電池的邊緣突起，如圖4所示，當光能電池作為手機背面殼體時，呈現(xiàn)中心凹邊緣凸的光能電池的邊緣將手機機身04在平臺上進行有力支撐；同時，還可以在第一頂部透明石墨烯薄膜電極011表面設(shè)置多個凹陷，使得第一納米棒陣列n1隨之呈高低起伏狀，能夠提高第一頂部透明石墨烯薄膜電極011的柔韌性和支撐力，同時還能夠增加對光的透過率，具有多個凹陷的第一頂部透明石墨烯薄膜電極011具有較高的散射效果，可以增加光透過率。此外，本實施例中，請參閱圖1和3，圖3中為上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的示意圖，圖3中虛線框所示結(jié)構(gòu)是圖1中的虛線圈所示結(jié)構(gòu)的放大示意結(jié)構(gòu)，圖3中虛線表示上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)其它部分省略示意。如圖3所示，位于石墨烯薄膜基光能電池邊緣的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01設(shè)置有多個凹陷和凸起，不僅能夠起到對石墨烯薄膜基光能電池的支撐作用，還能夠緩沖對石墨烯薄膜基光能電池的擠壓，提高石墨烯薄膜基光能電池的抗沖擊力、柔韌度。

此外，本實施例的第二底部石墨烯薄膜電極022表面還形成有一層活性金屬化合物層或聚陰離子材料層a，第二納米棒陣列n2形成于活性金屬化合物層或聚陰離子材料層a表面，從而構(gòu)成活性離子和石墨烯薄膜的混合儲能結(jié)構(gòu)，利用活性離子來提高下層儲能結(jié)構(gòu)02的電容值和充放電速度。需要說明的是，當石墨烯薄膜基光能電池需要呈透明態(tài)時，本實施例的第二頂部石墨烯薄膜電極021和第二底部石墨烯薄膜電極022均可以為單層石墨烯薄膜或2～3層石墨烯薄膜。

此外，本實施例的第二納米棒陣列n2中也可以包含有第二中空納米棒和第二非中空納米棒。為了提高第二納米棒陣列對活性離子的吸附和釋放速率，以及活性離子的存儲量，第二納米棒的材料的材料可以為過渡元素氧化物，例如可以為鈦酸、氧化鋅、氧化鈦、氧化鎳、氧化鈷等金屬氧化物或合金氧化物。采用第二中空納米棒和第二非中空納米棒混合設(shè)置的第二納米棒陣列應(yīng)用于下層儲能結(jié)構(gòu)02中，可以有效降低活性離子在第二納米棒內(nèi)部的遷移距離，提高遷移率，由于第二中空納米棒的贗電容動力學特征，使得第二中空納米棒和第二非中空納米棒混合的第二納米棒陣列n2、第二頂部石墨烯薄膜電極021和第二底部石墨烯薄膜電極022構(gòu)成的下層儲能結(jié)構(gòu)02兼具超級電容器的高功率、優(yōu)異的循環(huán)壽命和高能量密度的復(fù)合型電池。

進一步的，本實施例中，石墨烯薄膜基電池中包括多個串聯(lián)的上述的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01、以及位于多個串聯(lián)的上述的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01的多個串聯(lián)的上述的下層儲能結(jié)構(gòu)02，多個串聯(lián)的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01中最底層的第一底層石墨烯薄膜電極012與多個并聯(lián)的下層儲能結(jié)構(gòu)02中最頂層的第二頂層石墨烯薄膜電極21相電連；多個串聯(lián)的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01中最頂層的第一頂層石墨烯薄膜電極011與多個并聯(lián)的下層儲能結(jié)構(gòu)02中最底層的第二底層石墨烯薄膜電極022相電連，串聯(lián)的上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01提高光生電流量，并聯(lián)的下層儲能結(jié)構(gòu)02提高電容量和電流輸出量。需要說明的是，關(guān)于上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01之間還可以是并聯(lián)，關(guān)于下層儲能結(jié)構(gòu)02之間還可以是串聯(lián)，當然還可以包含上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01之間的串聯(lián)或并聯(lián)與下層儲能結(jié)構(gòu)02之間的串聯(lián)或并聯(lián)的任意組合。

請參閱圖4，本實施例中還提供了一種光能手機00，在手機機身04背面具有本實施例上述的石墨烯薄膜基光能電池作為背面殼體，也即是手機機身04背面是由石墨烯薄膜基光能電池形成的。其中，上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01和下層儲能結(jié)構(gòu)02從背面殼體外側(cè)向內(nèi)依次設(shè)置，也即是上層光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)01需要吸收光，設(shè)置在背面殼體外層；第二頂部石墨烯薄膜電極021和第二底部石墨烯薄膜電極022上分別設(shè)置的引出極連接手機電路，從而為手機電路提供電能。請參閱圖5，黑色部分表示石墨烯薄膜基光能電池所在區(qū)域，空白區(qū)域為手機屏幕區(qū)域；石墨烯薄膜基光能電池還設(shè)置在手機機身的側(cè)壁、以及手機機身正面的邊緣區(qū)域，也即是呈薄膜態(tài)的石墨烯薄膜基光能電池還作為手機機身的側(cè)壁以及手機機身正面的邊緣區(qū)域，這樣可以擴大石墨烯薄膜基光能電池對光的吸收率，提高光電轉(zhuǎn)換效率，為手機提供更多更充足的電能。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準。