AM：一种基于不对称光伏级联的柔性高压( 100 V)发电设备

一、导读

在过去的几十年里，光伏效应已被用于制造太阳能电池和自驱动光电探测器。为了最大限度地产生光电流，人们一直在对器件的几何形状和材料组件进行优化。在某些应用领域，可见光照射所能达到的输出电压的大小是关键参数之一。然而，迄今为止，新型高电压输出光伏器件的开发尚未得到充分的探索。

受可见光光子能量的限制(范围从1.6 eV到3.1 eV)，光激发可收集电子的电势在单结光伏器件中通常低于2.0 V。虽然已经实现了各种串联太阳能电池(即多结太阳能电池，MJSCs)通过提高输出电压来突破Shockley-Queisser极限，但为了避免透光不足，堆叠结的总和一般不超过3个或4个。因此，MJSCs产生的开路电压通常在2.0 V至2.8 V之间，垂直堆叠的多电池产生的最高电压仍低于10 V。受电鳗的启发，通过头尾顺序组装大量的微型电池可以产生高达600 V的电力，设想一种横向排列的、具有显著功函数差异、固定方向、多个单元重复的非对称双金属结构，当它们与适当的半导体组合时，也可以产生较大的输出电压。然而，在大面积的塑料基板上成功构建如此复杂的器件结构十分具有挑战性，特别是在要求价格合理和分辨率高的情况下，因为通过独立步骤依次沉积的金属图案必须以尽可能高的精度相互连接。

二、成果掠影

在此，南京大学张磊等研究者设计了由双自对准技术为特征的自顶向下的纳米加工技术，以实现空间分辨率优于100 nm的非对称双金属阵列，并将其应用于构建斑马状非对称异质结阵列。这种纳米结构复合材料的表面积为5 × 4 mm²，包含500个周期性重复单元，能够在柔性衬底上产生高达140 V的光电压。这个设计展示了将定向纳米级器件组件集成到超材料中的颠覆性潜力，代表了简单的材料嵌入器件的传统功能化过程的飞跃。

相关研究工作以“A Flexible, High-Voltage (>100 V) Generating Device Based on Zebra-like Asymmetrical Photovoltaic Cascade”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

三、核心创新

研究者设计了一种双自对准技术，并利用它制备了一种新型的不对称、周期性和定向的金铝条纹纳米复合材料。这种双金属纳米结构可以以一种可控的方式排列p-n异质结。5×4 mm²的小条纹阵列的照明就可以在柔性衬底上产生超过100 V的高电压。单位长度产生的电势高达350V cm^-1。虽然使用外部LC升压电路也能够将电池的输出提高到数百伏，但这是首次证明了可以通过自供电和紧凑的片上系统产生如此高的电压。

四、数据概览

图1光致高压发电机的设计策略及设备配置© 2022 Wiley

（a）传统的三明治状结构串联有机光伏电池方案；

（b）单轴排列的斑马状微观结构串联有机光伏电池方案；

（c）黄金(上)和光刻胶pattern的边缘放大(下) 扫描电镜照片；

（d）SEM图像显示Au和Al可以同时在相对边缘形成间隙(上)和重叠(下)；

（e）器件在沉积之前的光学显微镜(OM)照片；

（f）在不同有源层照明下，斑马状平面器件电流密度随电压的函数(J-V曲线)。

图2由平面p-n异质结制成的类斑马升压装置©2022 Wiley

（a）对金表面P3HT层区域性修正制备工艺流程图；

（b）空双金属纳米结构的AFM图像；

（c）三个重复单元的扫描电镜图像，顶部是全覆盖的PTCDI-C8 NWs；

（d）基于PTCDI-C8/P3HT异质结的类斑马器件的光产生开路电压(VOC)与光照时间的关系；

（e）升压器件的光响应度(R)谱，以PTCDI-C8和P3HT的紫外-可见吸光度作为参考。

图3柔性基板上斑马状光伏器件的性能© 2022 Wiley

（a）（b）通过保持电流偏置为零来记录开路电压，并在(a)氮气气氛和(b)相同设备的空气暴露中测量；

（c）（d）柔性PV器件开路电压随(c)插图所示圆柱体(半径16mm)弯曲次数和(d)弯曲半径及不同弯曲方向的变化。

（e）以前报道的高光伏电压器件和这篇工作所取得的性能对比。

图4玻璃上斑马状PV器件的升压机构© 2022 Wiley

（a）Au (P3HT修饰)与Al占比分别为20%:80%(左)和80%:20%(右)的典型器件的卡通图像和SEM图像。；

（b）基于相同PTCDI-C8 NWs和P3HT平面p-n异质结但不同Au/Al占用比的斑马状PV器件的开路电压；

(c)每个重复单元中Au/P3HT和Al的输出电压随时间的变化;

(d)各重复单元中Au/P3HT和Al的表面积占用比分别为20%:80%和80%:20%的EQE。

五、成果启示

通过利用过去几十年为高密度固态存储器制造线性图案阵列而开发的众多策略，这种“斑马”光电器件的性能可以在未来通过采用其他高精度和低成本的图案技术(如纳米压印)来进一步提高。在这种“自上而下”的策略之外，使用“自下而上”的分层自组装方法来实现类似的目标也是可行的。

该研究促进了光与电之间的转换，可以通过提供足够大的静电场来调节自供电智能仪器中压电和电光材料的性能。

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

本文由张熙熙供稿