河南大学程纲团队Nano Energy：基于双功能纳米褶皱薄膜的复合能量采集器中太阳能电池和水滴摩擦发电的协同增强

材料人

背景介绍

太阳能电池可以将太阳辐照能量直接转化为电能，且光电转化过程中不会带来附加的环境污染，从而受到人们的关注。但是，太阳光辐照在时间和空间上分布不均衡，降低了太阳能电池在复杂多变的自然环境中的工作效率。所以，将太阳能电池与其他能源采集形式相结合，发展复合式的能量采集器，对于电能的高效获取和稳定输出具有重要的实际意义。然而，传统水滴摩擦纳米发电机的引入方式，影响了太阳能电池的光吸收，造成太阳能电池效率的降低。为了提高太阳能电池的光吸收，人们通常在电池表面引入纳米结构的减反射层，以降低入射光的反射损失。因此，调控水滴摩擦纳米发电机的摩擦层的表面结构，使其同时具有摩擦层和和减反射层的双重功能，是发展高性能复合能量采集器的关键。另外，高性能的水滴摩擦纳米发电机要求摩擦层具有疏水及强吸电子的特性。因此，在摩擦层表面设计并构筑纳米结构，同时具有减反射和超疏水性能，对于提高复合能量采集器的性能具有重要意义。

成果简介

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授研究团队在复合能量采集器中制备了一种纳米褶皱结构的PDMS薄膜，该薄膜不仅可以提高水滴摩擦纳米发电机的输出性能，同时可以通过减反射提高太阳能电池的光吸收和电池效率。纳米褶皱结构的PDMS薄膜可以减少入射光的反射，提高入射光的利用率，使Si太阳能电池的效率从12.55%提高到了13.57%。同时，由于PDMS薄膜的高比表面积、表面氟化处理和强疏水性，使水滴摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流分别提高了385.5%和299.1%。利用PDMS薄膜所兼具的高比表面积、强疏水性和减反射的多重功能，使复合能量采集器对太阳光和雨滴能量的采集效率同时得到了增强，为发展高性能复合能量采集器提供了思路和方法。而且，这种复合能量采集器的制备方法简单方便，也适用于其他类型的太阳能电池体系，具有普适性和广阔的应用前景。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”为题发表在国际著名期刊 Nano Energy上。博士生刘小兰、程轲教授和崔鹏博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104188

图文解读

图一、复合能量收集单元的制备及表面结构的表征

(a)复合能量采集器结构和制备流程图；

(b)图案化PDMS表面SEM图；

(c)未氟化处理PDMS薄膜AFM图；

(d)氟化处理后的PDMS薄膜AFM图。

图二、PDMS薄膜光学性能的表征及太阳能电池电学性能研究

(a)ITO、平面PDMS/ITO、褶皱表面结构PDMS/ITO的透射光谱图；

(b)不同结构太阳能电池效率测试图(插图为裸露、平面PDMS覆盖和褶皱表面结构PDMS覆盖的太阳能电池光学照片图)；

(c)、(d)分别为不同光入射角度VS V_OC 和PCE值拟合曲线。

图三、太阳能电池功能层场强分布模拟图

(a) 裸漏太阳能电池在入射光波长550 nm下电场强度分布图；

(b) 具有褶皱结构PDMS层太阳能电池在入射光波长550 nm下电场强度分布图；

(c)波长550 nm入射光在裸漏太阳能电池和褶皱结构PDMS层太阳能电池吸收层表面电场强度的截面分布模拟曲线(y = -0.021μm)；

(d)模拟入射光路径到ITO表面电极(左侧)和nw-PDMS涂层ITO(右侧)。

图四、水滴摩擦纳米发电机工作机理研究及电学输出性能

(a)WD-TENG工作原理示意图；

(b)、(c)为基于平面和褶皱结构PDMS摩擦层的WD-TENG的输出V-t和I-t曲线；

(d)、(e)分别为褶皱结构PDMS薄膜WD-TENG不同倾斜角度的输出V-t和I-t曲线。

图五、水滴摩擦纳米发电机外接不同阻抗时电压和电流随时间的变化曲线及复合能量收集单元对电容充电曲线

(a)电压、电流和(b)输出功率随外接阻抗变化关系曲线；

(c)复合能量收集器对电容充电电路示意图；

(d)复合能量采集器对电容充电V-t曲线。

小结

综上所述，作者基于一种褶皱结构的PDMS纳米薄膜制备了太阳能电池和WD-TENG的复合能量采集器，同时收集太阳光和雨滴的能量。褶皱结构的PDMS纳米薄膜的引入，一方面实现了入射光的减反射，提高了复合能量采集中太阳能电池的性能，使太阳能电池的效率从12.55%提高到了13.57%。另一方面，增加了比表面积和疏水性，提高了WD-TENG的输出，使WD-TENG的开路电压和短路电流分别提高了385.5%和299.1%。利用PDMS纳米薄膜所兼具的高比表面积、强疏水性和减反射的多重功能，使复合能量采集器对太阳光和雨滴能量的采集效率同时得到了增强，为发展高性能复合能量采集器提供了思路和方法。而且，这种复合能量采集器的制备方法简单方便，也适用于其他类型的太阳能电池体系，具有普适性和广阔的应用前景。

通讯作者简介

程纲教授，河南大学特种功能材料教育部重点实验室教授。2008年获得吉林大学博士学位。2006-2007年，香港中文大研究助理。2013-2016年，美国佐治亚理工学院访问学者，合作导师：王中林院士。2015年获得国家优秀青年基金。程教授致力于借助纳米结构所具有的特异性能，以“发展新型高性能光电纳米器件”为目标导向。通过设计构筑特定的纳米结构，揭示并进而调控纳米结构下的特殊物性，发展了多种高性能纳米器件。在纳米结构的构筑、表界面光电特性的表征和调控、自驱动光电纳米器件方面开展了系统的研究工作。迄今为止，程教授已发表SCI论文50余篇，引用超过1200次。

杜祖亮教授，河南大学特种功能材料教育部重点实验室主任，中原学者。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队牵头人，中国有序分子膜专业委员会副主任，教育部新世纪优秀人才，享受政府特殊津贴专家，河南省优秀专家，河南省特聘教授，河南省跨世纪学术和技术带头人。主持完成国家重大基础研究973前期专项、国家自然科学基金重大纳米研究计划、国家自然科学基金面上项目、教育部高校科技创新工程重大项目等国家级科研项目10余项；河南省创新人才项目、河南省杰出青年基金项目等省部级项目10余项。获河南省科学技术进步二等奖（自然科学类）2项；发表SCI学术论文200余篇；书（章节）2部；鉴定成果7项，发明专利24件（已授权14件）。主要从事高效能光电纳米结构材料与器件研究，在纳米结构材料的制备、组装、器件构筑及其光电性能等方面，形成了较系统的研究工作。结合分子组装（化学法）和纳米压印技术（物理法），建立了独具特色的纳米结构材料构筑技术，实现了纳米结构的大面积低成本制备；搭建了三类特色研究平台，实现了微纳区的光电测量。在国际上率先建立了双模板仿生矿化材料合成新方法；建立了低维半导体纳米结构受控表面态的表面势垒物理模型，研制了基于表面肖特基势垒的光电纳米器件；发现并阐明了微米/纳米有序结构的光电增强现象，为发展高效能薄膜太阳能电池和量子点发光二极管(QLED)开辟了新途径。

本文由河南大学程纲教授研究团队供稿。

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