特种功能材料重点实验室

研究进展

程纲教授课题组在Nano Energy上报道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

信息来源: 发布日期: 2019-10-30作者: 浏览次数:

 

近期,程纲教授课题组的研究成果“Hybrid Energy Harvester with Bi-Functional Nano-Wrinkled Anti-Reflective PDMS Film for Enhancing Energies Conversion from Sunlight and Raindrops”在国际著名刊物Nano Energy (IF=15.548, JCR一区)上发表。

文章链接:文章连接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104188

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,由于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。

在本工作中,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电学输出,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、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。

图1-20190917-swy-最终

图1. (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2

图2. (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 VOC和PCE值拟合曲线。

图5

图3 (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。

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。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。