AFM：一种基于各向异性晶面的光伏和热电发电新概念与策略

【引言】

近几年来，可持续清洁能源供应是我们社会健康发展的关键要求。自从18世纪英国首次使用煤炭代替柴火取暖以来，化石燃料已成为300多年来的主要能源，从而引发了工业革命。然而，随着资源的枯竭，主要燃烧产物CO₂引起的温室效应以及化石燃料中的杂质（SO_x，NOx和颗粒物）对环境和生态系统的有害影响，使得人们越来越重视清洁和可再生能源。由于出色的可再生性，丰富性和清洁性，太阳能被认为是未来可持续发展最有希望的替代能源之一。另一方面，将热能（尤其是红外热能）转换为有用的电能也被认为是为未来提供无穷电力的重要途径。但硅基PN结太阳能电池的生产消耗大量能量，且价格昂贵。下一代包括钙钛矿太阳能电池（PSC）和染料敏化太阳能电池（DSC）在内的电池，通常具有常规（n–i–p）和倒置（p–i–n）结构，但不足的稳定性和/或效率限制了其发展，迫切需要开发替代的具有低成本，高性能，环保型太阳能电池，以进一步扩大太阳能的使用范围。近日，科学家发现几种氧化物半导体中的各向异性晶面表现出不同的催化性能，能够促进太阳能电池的发展。

近日，南京工业大学邵宗平教授和江苏滚球体育 大学Yang Li（通讯作者）首次引入“各向异性晶面”概念，并通过应用半导体中不同面的内在特性来制造能够将光能和热能均转换为电能的无p–n结/异质结电池。简而言之，电化学驱动的单晶Cu₂O 定向生长诱导了各向异性形态的形成，其界面与{111}面中的衬底生长有关，而暴露的表面完全位于{100}面中。两种截然不同的晶面显示出不同的能级和物理特性，从而实现了有效的自激载流子分离。基于这种新型的“各向异性晶面”的单晶Cu₂O在AM 1.5G模拟日光下，可产生0.887V的最大开路电压，2.0 mW cm^-2的最高能量输出。希望借此项开创性的工作为研究光伏和热电器件的新策略和结构提供灵感，并通过开发高效和低成本能源利用技术，开辟一条新的道路。相关研究成果以“A New Concept and Strategy for Photovoltaic and Thermoelectric Power Generation Based on Anisotropic Crystal Facet Unit”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、单晶膜的生长过程

（a-g）Cu₂O“各向异性晶面”随时间的生长过程的SEM图像；

（h）Cu₂O“各向异性晶面”沿Z轴定向生长的示意图。

图二、Cu₂O的物性表征

（a）合成的Cu₂O {100}和{111}晶面的SEM图像；

（b）{100}和{111}晶面的漫反射紫外可见吸收光谱；

（c）合成的Cu₂O的XRD图谱；

图三、Cu₂O的能带结构

（a）Cu₂O“各向异性晶面”和相应的能带结构的示意图；

（b）具有两个均质晶面和相应的能带结构的Cu₂O的示意图；

图四、模拟AM 1.5G太阳光研究Cu₂O“各向异性晶面” 的光电转换性能

（a）在配备红外截止滤光片的AM 1.5G辐照下，有和没有“各向异性晶面”的情况下的J–V曲线；

（b）Cu₂O“各向异性晶面”的入射光子-电流效率（IPCE）和IPCE值乘以太阳AM 1.5G图谱；

（c）“各向异性晶面”的热电效应；

（d）在AM 1.5G的总辐照度下，有和没有“各向异性面” 的J–V曲线。

图五、密度泛函理论（DFT）计算以及基本的物理见解

（a）从DFT计算中分别得出Cu₂O（100）和（111）晶面的电子能带结构和电子态密度（DOS）

（b）羟基离子分别吸附在Cu₂O（100），（111）和（110）晶面上，以及相应的电荷密度分布；

（c）Cu₂O“各向异性晶面” 的能带结构和发电机理示意图。

图六、Cu₂O的稳定性研究

（a）在环境和潮湿的室内空气中，Cu₂O“各向异性晶面” 的电化学阻抗谱；

（b）在干燥的惰性气氛中，Cu₂O“各向异性晶面” 的电化学阻抗谱；

（c）在环境和潮湿室内空气中，PUA封装的Cu₂O“各向异性晶面” 的电化学阻抗谱；

（d）在总AM 1.5G太阳辐射下，Cu₂O“各向异性晶面” 的耐久性。

【小结】

综上所述，本研究基于“各向异性晶面”，开发了一种新型的光伏和热电发电机理和策略。“各向异性晶面单元”具有自发诱导电子和空穴进入不同的晶面的能力，更具体地，当前{100}和{111}晶面分别承担正极和负极的作用。以Cu₂O为模型半导体，在模拟AM 1.5G光照下，“各向异性晶面”的转换效率为2.0%。 此外，适当使用“各向异性晶面”有望大大降低制造成本，提高PV和TE效率。 这项开创性的技术也有望应用于其他半导体，并与其他半导体改性技术相结合。

文献链接：“A New Concept and Strategy for Photovoltaic andThermoelectric Power Generation Based on Anisotropic Crystal Facet Unit”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202002606)

本文由CYM编译供稿。