熱電器件公布時間

【引言】

光伏效應(yīng)與光熱效應(yīng)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(lián)實現(xiàn)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(fù)合系統(tǒng)的總功率輸出是有所增加的，然而復(fù)合電路的串?dāng)_常常會破壞這種耦合效應(yīng)。因此，設(shè)計一種單一電路的光伏-熱電系統(tǒng)來達到“1+1＞2”的耦合增強是非?？扇〉拇胧?。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(tǒng)中來實現(xiàn)耦合增強。然而，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其未能成功揭示熱電效應(yīng)增強器件性能的內(nèi)在機理。眾所周知，通過內(nèi)建電場將光生載流子在復(fù)合前進行有效分離是實現(xiàn)優(yōu)異光伏性能的根本，熱電光電子學(xué)效應(yīng)是利用半導(dǎo)體材料與熱電效應(yīng)和光激發(fā)相互耦合，來實現(xiàn)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(yīng)用前景。

近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所楊亞研究員等人在Adv.Funct.Mater.上發(fā)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(xué)效應(yīng)來增強InP/ZnO納米棒異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)圖，SEM，J-V曲線

(a).熱光電子示意圖；

(b).基于熱光電子效應(yīng)的太陽能結(jié)構(gòu)圖；

(c, d).制備太陽能電池的每層的橫斷面SEM圖；

(e, f).交聯(lián)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(xué)效應(yīng)

(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(xué)效應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(xué)效應(yīng)增強器件性能

(a).InP/ZnO太陽能電池不同光強區(qū)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(nèi)照明下的輸出電流電壓曲線。

圖5：雙電池串聯(lián)性能，柔性可穿戴溫度傳感應(yīng)用

(a).AM 1.5 G, 兩個InP/ZnO太陽能電池串聯(lián)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(lián)電池的電壓輸出性能；

(c).自驅(qū)動溫度傳感器照片；

(d).工作狀態(tài)下的自驅(qū)動溫度傳感器照片。

【小結(jié)】

該研究證實了熱電光電子學(xué)效應(yīng)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(zhì)結(jié)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(gòu)建了一個可穿戴的自供電溫度傳感器，可以實時監(jiān)測環(huán)境溫度。該研究對于理解熱電效應(yīng)對光伏性能增強的內(nèi)在機理有重要意義，在太陽能采集和自供電傳感系統(tǒng)中也具有潛在的應(yīng)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(xué)術(shù)組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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