王中林/杨希娅/唐群委团队：场耦合效应提升太阳能电池在雨天弱光环境下的功率输出
王中林/杨希娅/唐群委团队：场耦合效应提升太阳能电池在雨天弱光环境下的功率输出
近日，暨南大学杨希娅副教授团队、山东科技大学唐群委教授团队及北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队在Device期刊上发表了一项重要研究。研究团队提出了一种利用光伏效应和摩擦电效应耦合机制协同提升太阳能电池在雨天弱光条件下的能量转换效率与功率输出的新方法。
太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，开发并高效利用太阳能已成为世界各国能源发展战略的核心，通过光伏发电技术可实现太阳能的高效利用。然而，传统结构的太阳能电池具有发电间歇性，输出功率严重依赖外部环境。为了突破传统太阳能电池的光电转换效率极限，利用其它能量形式如风能、雨能等与太阳能电池集成构建“混合能量采集系统”，可进一步提升太阳能电池在弱光环境下的转换效率，对人类社会实现清洁能源可持续路线具有重要意义。然而，不同能量转换原理之间的差异性使得混合能量采集电池的转换效率仍然较低。
研究团队提出了一种利用光伏效应和摩擦电效应耦合机制协同提升太阳能电池在雨天弱光条件下的能量转换效率与功率输出的新方法。该研究通过热压法制备具有表面微金字塔结构的乙烯-四氟乙烯（ETFE）薄膜，并与晶硅太阳能电池叠层构建了摩擦电-光伏杂化电池（TENG-PV cell），通过调控微结构实现了利用光学管理增强光吸收；另一方面，通过摩擦电效应与光伏内建电场耦合的协同机制，最终使TENG-PV电池获得了20.84%的光电转换效率，雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）实现了80 V的开路电压和1.06 W/m2的最大功率密度，有效提升了该器件在雨天弱光环境下的总功率输出。
图1：摩擦纳米发电机-晶硅串联（TENG-PV）混合能量采集太阳电池的制备流程示意图。
研究团队对TENG-PV电池的光电转换特性进行了研究。摩擦层良好的透光性是影响光吸收的先决条件，通过激光透过ETFE薄膜产生的衍射图案分布可以看出，随着金字塔结构尺寸增加，透射光的能量分布则更加集中。研究团队进一步对雨滴摩擦纳米发电机（R-TENG）的工作原理和性能进行了研究，并结合ETFE分子静电势分布模拟探究液滴撞击过程中的电荷转移机制，以及不同金字塔微结构对R-TENG电学输出性能的影响规律。
随后，研究团队深入探讨了暗态条件下，p型和n型双面硅太阳电池中摩擦静电场与晶硅电池内建电场之间的耦合作用对R-TENG输出性能的影响规律。研究发现，当内建电场与摩擦静电场方向相反时，R-TENG的滴水激励信号显著增强，表明内建电场的存在有利于摩擦电荷的产生、提取和驻留。
在弱光降雨环境下，研究团队对TENG-PV电池输出性能进行研究时发现，随着光照强度和滴水频率的增加，滴水引起的TENG-PV光电流输出也随之增强，表明水滴激励产生的摩擦静电场可高效提取光生载流子；同时，通过控制在同一弱光光强下改变滴水频率，发现增强的摩擦静电场可进一步提升传输载流子总数密度。
为了比较TENG-PV电池的静态和动态光伏响应，研究团队通过引入η来量化在水滴激励摩擦静电场刺激下，混合TENG-PV电池的最大输出功率和光伏转换效率的相对增加量。研究表明，随着光照强度的增加，两者的η值均随之提升，同时结合有限元模拟仿真分析，在外加摩擦静电场的作用下，TENG-PV电池的光学输出特性较裸晶硅电池均有显著提高，进一步验证了摩擦静电场对光生内建电场的增强机制。
最终，研究团队利用整流电源管理在模拟降雨环境下，使TENG-PV电池为继电器供能并成功驱动了电致变色窗由晴天模糊状态变为雨天透明状态，该应用有望拓展纳米发电技术在光伏建筑、智能汽车、高铁等领域的潜在应用。
王中林院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中国科学院外籍院士、美国国家发明家科学院院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院国际院士，国际纳米能源领域著名刊物NanoEnergy创刊主编和现任主编。获得2023年全球能源奖（Global Energy Prize），2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖(ENI award–The “Nobel prize” for Energy，能源界最高奖)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖、2013年中华人民共和国国际科技合作奖和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等国际大奖。是纳米能源研究领域的奠基人，发展了基于纳米能源的高熵能源与新时代能源体系；开创了基于纳米发电机的自驱动系统及蓝色能源宏大领域，与基于压电电子学与压电光电子学效应的第三代半导体的崭新领域；建立了压电电子学、压电光电子学与摩擦电子学学科；发现了六个新物理效应：压电电子学效应、压电光电子学效应、压电光子学效应、摩擦伏特效应、热释光电子效应和交流光伏效应。在Nature、Science及其子刊上发表了110篇文章，文章引用近40万次，h指数近300，在世界全科科学家排名前三。
唐群委，山东科技大学研究员、博导，山东省杰青、广东省杰青，闽江学者，国际先进材料协会会士。专注于钙钛矿太阳能电池以及光伏制氢、储能电池的应用基础研究和产业应用研发。以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等材料和化学领域权威刊物发表SCI论文370余篇，H因子为62。荣获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖（第1位）、广东省科学技术奖自然科学二等奖（第1位）等4项省部级奖励，以及青岛市科学技术奖自然科学二等奖2项（第1位）等5项市厅级奖励，荣获第十一届青岛市青年科技奖。以第一完成人获授权国家发明专利26件、软件著作权1件。主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目、国家自然科学基面上项目等6项国家级课题，以及山东省杰出青年基金、广东省杰出青年基金等4项省部级课题。以第一著作人出版《光电子材料与器件》专著1部并入选“十二五”国家重点图书出版规划项目，出版英文书籍2章。兼任国家科学技术奖评审专家、eScience青年编委、EcoEnergy青年编委、硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事等，被工业与信息化部聘为国家级人才评审专家，被科技部聘为国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项2019年度会评专家、“可再生能源与氢能技术”重点专项2020年度会评专家、“新型显示与战略性电子材料”重点专项2023年度专家组组长。多项研究成果被中央电视台、新华社、科技日报、科技部等权威媒体和机构报道。
杨希娅，暨南大学副教授，博士毕业于香港城市大学，随后继续在香港城市大学从事博士后研究。主要研究领域为自驱动微纳机电系统，基于压电、摩擦电、电磁和光电等多效应耦合的多能采集自驱动微纳传感器件研发，累积发表SCI论文60余篇，包括Science Advance、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等能源材料领域国际期刊，担任eScience青年编委、广东省材料研究学会青年委员等。
这项研究提出了一种可在光照和降雨环境下发电的TENG-PV混合电池的集成策略，通过利用织构化ETFE膜的减反性及摩擦静电场与光伏内建电场之间的场耦合效应，协同提升了混合电池在降雨弱光环境下的功率转换效率与功率输出，该装置实现了单滴水峰值开路电压为80 V，短路电流密度为110.5 mA/m2，最大功率密度为1.06 W/m2的，在标准太阳光下，光伏转换效率（PCE）达到20.84%，相比裸晶硅电池（PCE为18.41%）提升了约13.2%。该混合能量采集技术能够有效缓解降雨密集型与阳光间歇性等区域的电力短缺问题。