[发明专利]生物化学能量转化电池

说明书

本文提出一种伏打电池，其含有任选地在微生物群体中的光捕获天线或其它基于生物的电子产生结构，具有电子传导特性的电子虹吸管群，其中个别虹吸管配置成从所述光捕获天线接受电子并且将所述电子传输到集电器，任选光导向系统(例如镜子)，以及具有感测和调节反馈特性的调节器，所述伏打电池用于将光生物化学能量和生物化学能量转化成电。本文还提出一种伏打电池，其在无光存在的情况下具有发电能力。本文还提出所述伏打电池用于太阳能面板中的用途。

本申请是申请日为2014年6月25日，申请号为201480041193.3，发明名称为“生物化学能量转化电池”的申请的分案申请。

技术领域

本申请涉及生物化学能量转化电池。

相关申请案的交叉引用

本申请案根据35U.S.C.§119(e)要求2013年6月25日申请的题为“光伏打电池和面板(PHOTOVOLTAIC CELLS AND PANELS)”的美国临时申请案第61/957,147号、2013年9月18日申请的题为“生物化学能量转化电池(BIOCHEMICAL ENERGY CONVERSION CELL)”的美国临时申请案第61/879,612号以及2014年5月9日申请的题为“生物化学伏打电池(BIOCHEMICAL VOLTAIC CELLS)”的美国临时申请案第61/991,335号的优先权，所述申请案针对所有目的全部以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

现用伏打电池和太阳能面板系统效率有限并且需要导致显著相关成本的络合物材料。许多太阳能面板使用基于晶片的结晶硅电池或基于镉或硅的薄膜电池。这些电池脆弱并且必须通过添加多个保护层来免受水分之害。面板串联部署来提高电压和/或并联部署来提高电流。面板通过导电金属导线互连。常见系统的固有问题是电池对当面板的一部分被遮蔽并且面板的另一部分处于阳光直射时的逆向电流引起的过热敏感。另一固有问题在于太阳能电池在较高温度下变得效率较低，这限制了光转化成电的地理效用。例如排列透镜和镜子的改进改善光的聚焦，提高了效率，但制造复杂度和相关成本较高。

染料敏化太阳能电池(DSSC)为基于置于光敏化阳极与电解质之间的半导体材料的太阳能电池技术。DSSC的制造不节省成本并且需要例如铂和钌的昂贵材料。另外，DSSC稳定性为关注点，因为液体电解质存在气候相关灵敏性。

量子点太阳能电池(QDSC)技术是基于染料敏化太阳能电池，但利用低带隙半导体纳米粒子，也称为量子点，其包括CdS、CdSe、Sb₂S₃、PbS和其它类金属盐作为光吸收剂。量子点的优势为带隙偏好由粒径支配以及其提供高消除系数。液体接合电池类型和固态电池类型都有超过5％证实QDSC的效率仍低，并且制造成本仍过高。

聚合物(和共聚物)太阳能电池由有机半导体聚合物(例如聚苯亚乙烯和铜酞菁)薄膜制成。这些电池不同于上述无机太阳能电池，因为其无需P-N结的内建式电场来分隔电子与空穴。实际上，有机电池含有电子供体和电子受体。在聚合太阳能电池中，电子供体通过光子激发，其能量转化成电子和空穴对。所述对扩散到供体-受体界面，由此分离电子和空穴并且产生电流。

现有光伏打面板从一定范围波长的光产生电，但不能利用紫外和红外范围中的波长(但使用聚合和共聚太阳能面板的近期概念研究除外，尽管这些效率仍低至3％-4％)。可用面板还从低亮度光或漫射光产生极少电。设计概念中的增加的工作量将光分离成单色波长并且将这些波长导向到不同太阳能电池，这些太阳能电池根据那些波长具体调谐并且预计将效率提高高达50％，但需要大量技术进展并且成本极高。

涉及太阳能面板技术的现场实验揭示超过42-44℃的临界温度后，每增加1℃，峰值输出降低1.1％。晴热天时这成问题，面板的表面温度可能超过90℃并且由于现用太阳能面板中所需的反射分层，在面板内通常可能发生局部热聚集，使光点高达800℃。寒冷并且阳光充足的环境为现用太阳能面板的最大效率的最佳条件。