河南大學程綱團隊Nano Energy：基于雙功能納米褶皺薄膜的復合能量采集器中太陽能電池和水滴摩擦發電的協同增強

【背景介紹】

太陽能電池可以將太陽輻照能量直接轉化為電能，且光電轉化過程中不會帶來附加的環境污染，從而受到人們的關注。但是，太陽光輻照在時間和空間上分布不均衡，降低了太陽能電池在復雜多變的自然環境中的工作效率。所以，將太陽能電池與其他能源采集形式相結合，發展復合式的能量采集器，對于電能的高效獲取和穩定輸出具有重要的實際意義。然而，傳統水滴摩擦納米發電機的引入方式，影響了太陽能電池的光吸收，造成太陽能電池效率的降低。為了提高太陽能電池的光吸收，人們通常在電池表面引入納米結構的減反射層，以降低入射光的反射損失。因此，調控水滴摩擦納米發電機的摩擦層的表面結構，使其同時具有摩擦層和和減反射層的雙重功能，是發展高性能復合能量采集器的關鍵。另外，高性能的水滴摩擦納米發電機要求摩擦層具有疏水及強吸電子的特性。因此，在摩擦層表面設計并構筑納米結構，同時具有減反射和超疏水性能，對于提高復合能量采集器的性能具有重要意義。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授研究團隊在復合能量采集器中制備了一種納米褶皺結構的PDMS薄膜，該薄膜不僅可以提高水滴摩擦納米發電機的輸出性能，同時可以通過減反射提高太陽能電池的光吸收和電池效率。納米褶皺結構的PDMS薄膜可以減少入射光的反射，提高入射光的利用率，使Si太陽能電池的效率從12.55%提高到了13.57%。同時，由于PDMS薄膜的高比表面積、表面氟化處理和強疏水性，使水滴摩擦納米發電機的開路電壓和短路電流分別提高了385.5%和299.1%。利用PDMS薄膜所兼具的高比表面積、強疏水性和減反射的多重功能，使復合能量采集器對太陽光和雨滴能量的采集效率同時得到了增強，為發展高性能復合能量采集器提供了思路和方法。而且，這種復合能量采集器的制備方法簡單方便，也適用于其他類型的太陽能電池體系，具有普適性和廣闊的應用前景。研究成果以 “Hybrid Energy Harvester with Bi-Functional Nano-Wrinkled Anti-Reflective PDMS Film for Enhancing Energies Conversion from Sunlight and Raindrops”為題發表在國際著名期刊 Nano Energy上。博士生劉小蘭、程軻教授和崔鵬博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104188

【圖文解讀】

圖一、復合能量收集單元的制備及表面結構的表征

(a)復合能量采集器結構和制備流程圖；(b)圖案化PDMS表面SEM圖；(c)未氟化處理PDMS薄膜AFM圖；(d)氟化處理后的PDMS薄膜AFM圖。

圖二、PDMS薄膜光學性能的表征及太陽能電池電學性能研究

?(a)ITO、平面PDMS/ITO、褶皺表面結構PDMS/ITO的透射光譜圖；(b)不同結構太陽能電池效率測試圖(插圖為裸露、平面PDMS覆蓋和褶皺表面結構PDMS覆蓋的太陽能電池光學照片圖)；(c)、(d)分別為不同光入射角度VS V_OC?和PCE值擬合曲線。

圖三、太陽能電池功能層場強分布模擬圖

(a) 裸漏太陽能電池在入射光波長550 nm下電場強度分布圖；?(b) 具有褶皺結構PDMS層太陽能電池在入射光波長550 nm下電場強度分布圖；(c)波長550?nm入射光在裸漏太陽能電池和褶皺結構PDMS層太陽能電池吸收層表面電場強度的截面分布模擬曲線(y = -0.021μm)；(d)模擬入射光路徑到ITO表面電極(左側)和nw-PDMS涂層ITO(右側)。

圖四、水滴摩擦納米發電機工作機理研究及電學輸出性能

(a)WD-TENG工作原理示意圖；(b)、(c)為基于平面和褶皺結構PDMS摩擦層的WD-TENG的輸出V-t和I-t曲線；(d)、(e)分別為褶皺結構PDMS薄膜WD-TENG不同傾斜角度的輸出V-t和I-t曲線。

圖五、水滴摩擦納米發電機外接不同阻抗時電壓和電流隨時間的變化曲線及復合能量收集單元對電容充電曲線

(a)電壓、電流和(b)輸出功率隨外接阻抗變化關系曲線；(c)復合能量收集器對電容充電電路示意圖；(d)復合能量采集器對電容充電V-t曲線。

【小結】

綜上所述，作者基于一種褶皺結構的PDMS納米薄膜制備了太陽能電池和WD-TENG的復合能量采集器，同時收集太陽光和雨滴的能量。褶皺結構的PDMS納米薄膜的引入，一方面實現了入射光的減反射，提高了復合能量采集中太陽能電池的性能，使太陽能電池的效率從12.55%提高到了13.57%。另一方面，增加了比表面積和疏水性，提高了WD-TENG的輸出，使WD-TENG的開路電壓和短路電流分別提高了385.5%和299.1%。利用PDMS納米薄膜所兼具的高比表面積、強疏水性和減反射的多重功能，使復合能量采集器對太陽光和雨滴能量的采集效率同時得到了增強，為發展高性能復合能量采集器提供了思路和方法。而且，這種復合能量采集器的制備方法簡單方便，也適用于其他類型的太陽能電池體系，具有普適性和廣闊的應用前景。

【通訊作者簡介】

程綱教授，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室教授。2008年獲得吉林大學博士學位。2006-2007年，香港中文大研究助理。2013-2016年，美國佐治亞理工學院訪問學者，合作導師：王中林院士。2015年獲得國家優秀青年基金。程教授致力于借助納米結構所具有的特異性能，以“發展新型高性能光電納米器件”為目標導向。通過設計構筑特定的納米結構，揭示并進而調控納米結構下的特殊物性，發展了多種高性能納米器件。在納米結構的構筑、表界面光電特性的表征和調控、自驅動光電納米器件方面開展了系統的研究工作。迄今為止，程教授已發表SCI論文50余篇，引用超過1200次。

杜祖亮教授，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室主任，中原學者。教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊牽頭人，中國有序分子膜專業委員會副主任，教育部新世紀優秀人才，享受政府特殊津貼專家，河南省優秀專家，河南省特聘教授，河南省跨世紀學術和技術帶頭人。主持完成國家重大基礎研究973前期專項、國家自然科學基金重大納米研究計劃、國家自然科學基金面上項目、教育部高校科技創新工程重大項目等國家級科研項目10余項；河南省創新人才項目、河南省杰出青年基金項目等省部級項目10余項。獲河南省科學技術進步二等獎（自然科學類）2項；發表SCI學術論文200余篇；書（章節）2部；鑒定成果7項，發明專利24件（已授權14件）。主要從事高效能光電納米結構材料與器件研究，在納米結構材料的制備、組裝、器件構筑及其光電性能等方面，形成了較系統的研究工作。結合分子組裝（化學法）和納米壓印技術（物理法），建立了獨具特色的納米結構材料構筑技術，實現了納米結構的大面積低成本制備；搭建了三類特色研究平臺，實現了微納區的光電測量。在國際上率先建立了雙模板仿生礦化材料合成新方法；建立了低維半導體納米結構受控表面態的表面勢壘物理模型，研制了基于表面肖特基勢壘的光電納米器件；發現并闡明了微米/納米有序結構的光電增強現象，為發展高效能薄膜太陽能電池和量子點發光二極管(QLED)開辟了新途徑。

本文由河南大學程綱教授研究團隊供稿。

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