热电器件

【引言】

光伏效应与光热效应是从阳光中获取能量的两个主要途径。通过光伏器件和热电器件的串并联实现对太阳能的最大化利用具有重要的研究意义。在一定程度上，光伏-热电复合系统的总功率输出是有所增加的，然而复合电路的串扰常常会破坏这种耦合效应。因此，设计一种单一电路的光伏-热电系统来达到“1+1＞2”的耦合增强是非常可取的措施。近期，有报道利用纳米级Bi2Te3或NaCo2O4作为热电元件添加到单一电路的光伏-热电系统中来实现耦合增强。然而，由于其复杂的结构导致其未能成功揭示热电效应增强器件性能的内在机理。众所周知，通过内建电场将光生载流子在复合前进行有效分离是实现优异光伏性能的根本，热电光电子学效应是利用半导体材料与热电效应和光激发相互耦合，来实现光生载流子的有效分离的新方法，在新型光电器件、传感器和能源收集方面有着广泛的应用前景。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员等人在Adv.Funct.Mater.上发表了一篇名为“Thermo-Phototronic Effect Enhanced InP/ZnO Nanorod Heterojunction Solar Cells for Self-PoweredWearable Electronics”的文章。在这项研究中，作者首次提出了利用热电光电子学效应来增强InP/ZnO纳米棒异质结界面的电荷传输性能的方法。该器件在3.5℃的温度梯度和弱光照射的条件下，输出电流和电压分别增强27.3%和76%。

【图文简介】

图1：热光电子与器件结构图，SEM，J-V曲线

(a).热光电子示意图；

(b).基于热光电子效应的太阳能结构图；

(c, d).制备太阳能电池的每层的横断面SEM图；

(e, f).交联Ag纳米线生长在ZnO纳米棒的俯视SEM图；

(g).AM1.5 G,有无ZnO纳米棒的InP/ZnO太阳能电池的J-V曲线；

(f).生长ZnO纳米棒的InP/ZnO太阳能电池在不同光照强度下的J-V曲线，电池有效面积为0.04cm2。

图2：InP/ZnO太阳能电池的热电光电子学效应

(a, b, c).20Lux光照下，器件分别在低温、常温与高温情况下的红外图；

(d, e, f). 20Lux光照下，周期性改变温度，分别测试器件在低温、常温和高温条件下的输出电流与输出电压的变化曲线。

图3:热电光电子学效应增强器件性能及能带图

(a).在不同冷却条件下，InP/ZnO太阳能电池的温度梯度的变化，插图为温差示意图；

(b, c).20 Lux 光照，不同温度梯度下器件的输出电压与电流曲线；

(d).热电光电子学效应对器件的输出电流与电压的提升比例；

(e).没有温度梯度下，太阳能电池的能带图；

(f).施加一温度梯度后，太阳能电池的能带图。

图4：不同光强下的热电光电子学效应增强器件性能

(a).InP/ZnO太阳能电池不同光强区域下的输出电流电压增强；

(b).各种LED照明强度；

(c, d).3.5℃温度梯度下，器件在不同光照强度下的输出电压电流曲线；

(e, f). 3.5℃温度梯度下，器件在室内照明下的输出电流电压曲线。

图5：双电池串联性能，柔性可穿戴温度传感应用

(a).AM 1.5 G, 两个InP/ZnO太阳能电池串联后的I-V曲线，电池有效面积为0.5cm2。

(b).使用电源管理电路（PMC）前后，串联电池的电压输出性能；

(c).自驱动温度传感器照片；

(d).工作状态下的自驱动温度传感器照片。

【小结】

该研究证实了热电光电子学效应能够有效提升对InP/ZnO太阳能电池性能。在弱光照射，温度梯度为3.5℃的条件下，器件的输出电压和输出电流分别提升了27.3%，76%。器件性能的提升主要是源于温度梯度场加速了载流子在异质结界面的传输。作者使用两个InP/ZnO太阳能电池和电源管理电路构建了一个可穿戴的自供电温度传感器，可以实时监测环境温度。该研究对于理解热电效应对光伏性能增强的内在机理有重要意义，在太阳能采集和自供电传感系统中也具有潜在的应用价值。

文献链接：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学术组刘于金供稿，材料牛整理编辑。

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