背景

傳統(tǒng)的礦物燃料例如石油、天然氣和煤，都屬于不可再生資源，且燃燒時(shí)會(huì)釋放出大量二氧化碳，引起溫室效應(yīng)，破壞生態(tài)平衡。因此，在新技術(shù)與新材料的基礎(chǔ)上，人類開始利用清潔環(huán)保、生態(tài)友好、可再生的新能源，例如：太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四堋⒀罅髂芎统毕艿鹊取?/span>

太陽能是最具代表性的新能源之一，具有極高的開發(fā)和利用價(jià)值，其優(yōu)勢(shì)包括：清潔、環(huán)保、可再生、易獲取、低成本等。目前最常見的太陽能利用方式就是太陽能發(fā)電，其中太陽能電池扮演了關(guān)鍵角色。在之前的文章中，筆者介紹過多個(gè)與太陽能電池相關(guān)的創(chuàng)新研究進(jìn)展。

然而，在利用太陽能電池發(fā)電方面一直存在一個(gè)制約因素：陰雨天氣條件會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電量。在經(jīng)常下雨的地區(qū)，太陽能電池可能并不是一個(gè)好選擇，因?yàn)殛幵泼懿甲钃趿岁柟猓瑥亩绊懥颂柲茈姵氐陌l(fā)電量。

創(chuàng)新

近日，中國蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院孫寶全教授課題組與孫旭輝教授課題組合作在《ACSNano》上發(fā)表論文，將太陽能電池與摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TriboelectricNanogenerator,TENG）相結(jié)合，開發(fā)出一種混合型太陽能電池，它既可以利用陽光發(fā)電，也可以利用雨滴發(fā)電。

技術(shù)

摩擦電納米發(fā)電機(jī)，讀過筆者文章的朋友一定都不會(huì)陌生，之前的文章例如：《新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)：可利用人體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無線供電！》、《新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)：靈感來源于中華傳統(tǒng)剪紙！》、《可穿戴設(shè)備通過人體運(yùn)動(dòng)供電，可行嗎？》、《可貼到皮膚上的金標(biāo)簽：利用人體運(yùn)動(dòng)發(fā)電！》都介紹過有關(guān)摩擦電納米發(fā)電機(jī)的研究成果。

簡(jiǎn)單說，摩擦電納米發(fā)電機(jī)是通過采集我們周圍的機(jī)械能發(fā)電，例如利用彎曲手指或者跑步等人體運(yùn)動(dòng)的能量。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理是什么？

由于摩擦起電效應(yīng)，在摩擦電納米發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電路中，兩個(gè)摩擦電極性不同的材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在二者之間形成電勢(shì)差；在摩擦電納米發(fā)電機(jī)的外部電路中，電子在電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下，在摩擦電材料層背面的“兩個(gè)電極之間”或者“電極與地之間”流動(dòng)，從而平衡這個(gè)電勢(shì)差。

之前的許多有關(guān)摩擦電納米發(fā)電機(jī)的研究，都是想利用人體運(yùn)動(dòng)的能量發(fā)電。然而，蘇州大學(xué)的科研人員卻利用了雨滴的能量發(fā)電，他們將摩擦電納米發(fā)電機(jī)集成到太陽能電池中，讓太陽能電池在雨天也能有效發(fā)電。之前，也有一些類似的研究在太陽能電池中添加了贗電容或摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG），但這些設(shè)備往往非常笨重且難以制造，而蘇州大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)旨在開發(fā)一種更好的混合能源采集系統(tǒng)。

那么，這種混合型太陽能電池有什么獨(dú)特的地方呢？

研究人員采用了兩種聚合物材料：PDMS和PEDOT:PSS，PDMS是指聚二甲基硅氧烷，PEDOT:PSS是一種高分子聚合物的水溶液，導(dǎo)電率很高。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)位于太陽能電池之上，結(jié)合了作為摩擦電材料的PDMS與作為電極的PEDOT:PSS層。PEDOT:PSS薄膜層位于太陽能電池與摩擦電納米發(fā)電機(jī)之間，成為太陽能電池與摩擦電納米發(fā)電機(jī)的共同電極。就太陽能電池而言，加入PEDOT:PSS可以減少光線反射，從而改善其性能。當(dāng)雨滴落下時(shí)，頂層的摩擦電納米發(fā)電機(jī)被激活，PEDOT/PSS材料薄膜層會(huì)將摩擦電納米發(fā)電機(jī)生成的電能傳送至太陽能電池。此外，因?yàn)榫酆衔锸峭该鞯模栽谇缣鞎r(shí)，太陽能電池仍然可以從陽光中采集能量。

價(jià)值

這項(xiàng)研究非常具有創(chuàng)新性，它使得太陽能電池?zé)o論是晴天還是雨天，都可以采集能量發(fā)電，有效地將太陽能電池技術(shù)和摩擦電納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，很好地整合到一個(gè)系統(tǒng)中去，提供一種高效的能源利用方式。