AM：一種基于不對稱光伏級聯的柔性高壓( 100 V)發電設備

張熙熙 8個月前 (01-02) 1113瀏覽

一、導讀

在過去的幾十年里，光伏效應已被用于制造太陽能電池和自驅動光電探測器。為了最大限度地產生光電流，人們一直在對器件的幾何形狀和材料組件進行優化。在某些應用領域，可見光照射所能達到的輸出電壓的大小是關鍵參數之一。然而，迄今為止，新型高電壓輸出光伏器件的開發尚未得到充分的探索。

受可見光光子能量的限制(范圍從1.6 eV到3.1 eV)，光激發可收集電子的電勢在單結光伏器件中通常低于2.0 V。雖然已經實現了各種串聯太陽能電池(即多結太陽能電池，MJSCs)通過提高輸出電壓來突破Shockley-Queisser極限，但為了避免透光不足，堆疊結的總和一般不超過3個或4個。因此，MJSCs產生的開路電壓通常在2.0 V至2.8 V之間，垂直堆疊的多電池產生的最高電壓仍低于10 V。受電鰻的啟發，通過頭尾順序組裝大量的微型電池可以產生高達600 V的電力，設想一種橫向排列的、具有顯著功函數差異、固定方向、多個單元重復的非對稱雙金屬結構，當它們與適當的半導體組合時，也可以產生較大的輸出電壓。然而，在大面積的塑料基板上成功構建如此復雜的器件結構十分具有挑戰性，特別是在要求價格合理和分辨率高的情況下，因為通過獨立步驟依次沉積的金屬圖案必須以盡可能高的精度相互連接。

二、成果掠影

在此，南京大學張磊等研究者設計了由雙自對準技術為特征的自頂向下的納米加工技術，以實現空間分辨率優于100 nm的非對稱雙金屬陣列，并將其應用于構建斑馬狀非對稱異質結陣列。這種納米結構復合材料的表面積為5 × 4 mm2，包含500個周期性重復單元，能夠在柔性襯底上產生高達140 V的光電壓。這個設計展示了將定向納米級器件組件集成到超材料中的顛覆性潛力，代表了簡單的材料嵌入器件的傳統功能化過程的飛躍。

相關研究工作以“A Flexible, High-Voltage (>100 V) Generating Device Based on Zebra-like Asymmetrical Photovoltaic Cascade”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

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三、核心創新

研究者設計了一種雙自對準技術，并利用它制備了一種新型的不對稱、周期性和定向的金鋁條紋納米復合材料。這種雙金屬納米結構可以以一種可控的方式排列p-n異質結。5×4 mm2的小條紋陣列的照明就可以在柔性襯底上產生超過100 V的高電壓。單位長度產生的電勢高達350V cm-1。雖然使用外部LC升壓電路也能夠將電池的輸出提高到數百伏，但這是首次證明了可以通過自供電和緊湊的片上系統產生如此高的電壓。

四、數據概覽

圖1光致高壓發電機的設計策略及設備配置 ? 2022 Wiley

（a）傳統的三明治狀結構串聯有機光伏電池方案；

（b）單軸排列的斑馬狀微觀結構串聯有機光伏電池方案；

（c）黃金(上)和光刻膠pattern的邊緣放大(下) 掃描電鏡照片；

（d）SEM圖像顯示Au和Al可以同時在相對邊緣形成間隙(上)和重疊(下)；

（e）器件在沉積之前的光學顯微鏡(OM)照片；

（f）在不同有源層照明下，斑馬狀平面器件電流密度隨電壓的函數(J-V曲線)。

圖2由平面p-n異質結制成的類斑馬升壓裝置 ? 2022 Wiley

（a）對金表面P3HT層區域性修正制備工藝流程圖；

（b）空雙金屬納米結構的AFM圖像；

（c）三個重復單元的掃描電鏡圖像，頂部是全覆蓋的PTCDI-C8 NWs；

（d）基于PTCDI-C8/P3HT異質結的類斑馬器件的光產生開路電壓(VOC)與光照時間的關系；

（e）升壓器件的光響應度(R)譜，以PTCDI-C8和P3HT的紫外-可見吸光度作為參考。

圖3 柔性基板上斑馬狀光伏器件的性能 ? 2022 Wiley

（a）（b）通過保持電流偏置為零來記錄開路電壓，并在(a)氮氣氣氛和(b)相同設備的空氣暴露中測量；

（c）（d）柔性PV器件開路電壓隨(c)插圖所示圓柱體(半徑16mm)彎曲次數和(d)彎曲半徑及不同彎曲方向的變化。

（e）以前報道的高光伏電壓器件和這篇工作所取得的性能對比。

圖4玻璃上斑馬狀PV器件的升壓機構 ? 2022 Wiley

（a）Au (P3HT修飾)與Al占比分別為20%:80%(左)和80%:20%(右)的典型器件的卡通圖像和SEM圖像。；

（b）基于相同PTCDI-C8 NWs和P3HT平面p-n異質結但不同Au/Al占用比的斑馬狀PV器件的開路電壓；

?(c)每個重復單元中Au/P3HT和Al的輸出電壓隨時間的變化;

(d)各重復單元中Au/P3HT和Al的表面積占用比分別為20%:80%和80%:20%的EQE。

五、成果啟示

通過利用過去幾十年為高密度固態存儲器制造線性圖案陣列而開發的眾多策略，這種“斑馬”光電器件的性能可以在未來通過采用其他高精度和低成本的圖案技術(如納米壓印)來進一步提高。在這種“自上而下”的策略之外，使用“自下而上”的分層自組裝方法來實現類似的目標也是可行的。

該研究促進了光與電之間的轉換，可以通過提供足夠大的靜電場來調節自供電智能儀器中壓電和電光材料的性能。

 

 

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209482?af=R

本文由張熙熙供稿

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