南京大學羅文俊/鄒志剛團隊發現法拉第結的光電壓記憶效應

光伏電池可以將太陽能直接轉化為電能,引起了研究人員廣泛的關注。然而由於太陽能輻照受到晝夜陰雨等因素制約,使得光伏電池無法持續供應能源,將太陽能直接存儲為化學能可以有效解決這一難題。然而,現時這種法拉第結太陽能充電器件依然面臨介面電荷傳輸機制不清、器件效能不高以及體積太大等問題,限制了其實際應用。

清潔能源利用是實現我國“雙碳目標”的重要途徑,開發低成本規模化太陽能利用科技將會成為今後一段時期的重點研究領域。光伏電池可以將太陽能直接轉化為電能,引起了研究人員廣泛的關注。然而由於太陽能輻照受到晝夜陰雨等因素制約,使得光伏電池無法持續供應能源,將太陽能直接存儲為化學能可以有效解決這一難題。近年來,羅文俊副教授提出法拉第結新概念(iScience 2020,23,100949;Nat. Commun. 2021,12,6363;Chem. Sci. 2020,11,6297;CCS Chem. 2021,3,1670),並發明了基於法拉第結的兩埠太陽能充電器件,用於低成本太陽能存儲(Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,1390;J. Mater. Chem. A,2022,10,1802;中國發明專利:202011039834.5;202111132501.1)。然而,現時這種法拉第結太陽能充電器件依然面臨介面電荷傳輸機制不清、器件效能不高以及體積太大等問題,限制了其實際應用。

針對這些關鍵問題,南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、現代工學院、物理學院的羅文俊副教授/鄒志剛院士團隊與南京工業大學孫庚志教授合作,以n-Si/CoOx作為光電極和MnOx作為對電極構築了兩埠法拉第結太陽能充電器件,發現該器件的暗態輸出電壓可以精確記錄光生電壓,具有光電壓記憶效應的特性。與之相反,商業Si光伏電池只在光照時產生光電壓,關光後無暗態輸出電壓(圖1)。該團隊還採用計時開路電位法即時監測光電極和對電極的電位,研究了光電壓記憶效應產生的原因。結果表明在光照下Si光電極中的電子與空穴准費米能級位置分別被MnOx和CoOx通過法拉第反應記錄下來,且這兩種資料都具有高的贗電容,使得關光後光充電電位仍然可以保持(圖2)。這種光電壓記憶效應可以使介面能量損失最小化,導致光充電器件具有更高的效能。此外,該團隊採用半透明對電極代替不透明電極,使器件體積顯著减小,實現了可擕式高能量存儲密度的太陽能充電器件(圖3)。該研究發現的光電壓記憶效應不僅在太陽能充電器件中有重要的應用,還可能用於理解和類比人眼中的視覺暫留現象,羅文俊副教授領導的法拉第結資料與器件課題組正在開展相關研究。

圖1.p-n結中的光伏效應與法拉第結中光電壓記憶效應對比。

圖2.光伏效應(a)與光電壓記憶效應(b)的工作原理。

圖3.光電壓記憶效應對太陽能充電器件效能的影響(a,b)以及可擕式器件照片(c,d)。

該成果以Photovoltage Memory Effect in a Portable Faradaic Junction Solar Rechargeable Device為題發表在Nature Communications上。南京大學物理學院2017級博士生王品為該論文第一作者,通訊作者為羅文俊副教授。該研究工作得到了鄒志剛院士的指導和支持,以及國家自然科學基金(21875105)和國家重點研發計畫(2017YFE0120700)等項目的資助。

論文連結:https:// www.nature.com /articles/ s41467 -022-30346-z

資料標籤: 能源 太陽能
本文標題: 南京大學羅文俊/鄒志剛團隊發現法拉第結的光電壓記憶效應
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1655999067633691
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