納米能源所Adv.Funct.Mater.：熱電光電子學效應增強InP/ZnO納米棒異質結太陽能電池應用于可穿戴電子器件
【引言】
光伏效應與光熱效應是從陽光中獲取能量的兩個主要途徑。通過光伏器件和熱電器件的串并聯實現對太陽能的最大化利用具有重要的研究意義。在一定程度上，光伏-熱電復合系統的總功率輸出是有所增加的，然而復合電路的串擾常常會破壞這種耦合效應。因此，設計一種單一電路的光伏-熱電系統來達到“1+1＞2”的耦合增強是非常可取的措施。近期，有報道利用納米級Bi2Te3或NaCo2O4作為熱電元件添加到單一電路的光伏-熱電系統中來實現耦合增強。然而，由于其復雜的結構導致其未能成功揭示熱電效應增強器件性能的內在機理。眾所周知，通過內建電場將光生載流子在復合前進行有效分離是實現優異光伏性能的根本，熱電光電子學效應是利用半導體材料與熱電效應和光激發相互耦合，來實現光生載流子的有效分離的新方法，在新型光電器件、傳感器和能源收集方面有著廣泛的應用前景。
【成果簡介】?
近日，中科院北京納米能源與系統研究所楊亞研究員等人在Adv.Funct.Mater.上發表了一篇名為“Thermo-Phototronic Effect Enhanced InP/ZnO Nanorod Heterojunction Solar Cells for Self-PoweredWearable Electronics”的文章。在這項研究中，作者首次提出了利用熱電光電子學效應來增強InP/ZnO納米棒異質結界面的電荷傳輸性能的方法。該器件在3.5℃的溫度梯度和弱光照射的條件下，輸出電流和電壓分別增強27.3%和76%。
【圖文簡介】
圖1：熱光電子與器件結構圖，SEM，J-V曲線
(a).熱光電子示意圖；
(b).基于熱光電子效應的太陽能結構圖；
(c, d).制備太陽能電池的每層的橫斷面SEM圖；
(e, f).交聯Ag納米線生長在ZnO納米棒的俯視SEM圖；
(g).AM1.5 G,有無ZnO納米棒的InP/ZnO太陽能電池的J-V曲線；
(f).生長ZnO納米棒的InP/ZnO太陽能電池在不同光照強度下的J-V曲線，電池有效面積為0.04cm2。
圖2：InP/ZnO太陽能電池的熱電光電子學效應
(a, b, c).20Lux光照下，器件分別在低溫、常溫與高溫情況下的紅外圖；
(d, e, f). 20Lux光照下，周期性改變溫度，分別測試器件在低溫、常溫和高溫條件下的輸出電流與輸出電壓的變化曲線。
圖3:熱電光電子學效應增強器件性能及能帶圖
(a).在不同冷卻條件下，InP/ZnO太陽能電池的溫度梯度的變化，插圖為溫差示意圖；
(b, c).20 Lux 光照，不同溫度梯度下器件的輸出電壓與電流曲線；
(d).熱電光電子學效應對器件的輸出電流與電壓的提升比例；
(e).沒有溫度梯度下，太陽能電池的能帶圖；
(f).施加一溫度梯度后，太陽能電池的能帶圖。
圖4：不同光強下的熱電光電子學效應增強器件性能
(a).InP/ZnO太陽能電池不同光強區域下的輸出電流電壓增強；
(b).各種LED照明強度；
(c, d).3.5℃溫度梯度下，器件在不同光照強度下的輸出電壓電流曲線；
(e, f). 3.5℃溫度梯度下，器件在室內照明下的輸出電流電壓曲線。
圖5：雙電池串聯性能，柔性可穿戴溫度傳感應用
(a).AM 1.5 G, 兩個InP/ZnO太陽能電池串聯后的I-V曲線，電池有效面積為0.5cm2。
(b).使用電源管理電路（PMC）前后，串聯電池的電壓輸出性能；
(c).自驅動溫度傳感器照片；
(d).工作狀態下的自驅動溫度傳感器照片。
【小結】
? 該研究證實了熱電光電子學效應能夠有效提升對InP/ZnO太陽能電池性能。在弱光照射，溫度梯度為3.5℃的條件下，器件的輸出電壓和輸出電流分別提升了27.3%，76%。器件性能的提升主要是源于溫度梯度場加速了載流子在異質結界面的傳輸。作者使用兩個InP/ZnO太陽能電池和電源管理電路構建了一個可穿戴的自供電溫度傳感器，可以實時監測環境溫度。該研究對于理解熱電效應對光伏性能增強的內在機理有重要意義，在太陽能采集和自供電傳感系統中也具有潛在的應用價值。
文獻鏈接：Thermo-Phototronic Effect Enhanced InP/ZnO Nanorod Heterojunction Solar Cells for Self-PoweredWearable Electronics (Adv.Funct.Mater.,2017,DOI:10.1002/adfm.201703331)
本文由材料人新能源學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。
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光伏效應與光熱效應是從陽光中獲取能量的兩個主要途徑。