苏州大学孙宝全教授课题组近年来工作进展

“敢想，敢尝试，勇于质疑”、“做学问一定要多问为什么”这两句话体现了孙宝全教授对组内成员的期望与要求。“在做好基础研究的同时，大胆进行探索尝试”是该课题组的一个鲜明特点。孙宝全教授于1997年在青岛化工学院获得学士学位，2002年在清华大学化学系获得博士学位，2002-2007年在剑桥大学卡文迪许实验室从事博士后研究，2007-2008年在拉斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究，2008年加入苏州大学成立课题组。成立课题组以来，孙宝全教授已经在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society 等杂志发表SCI收录文章160余篇，其中影响因子大于10的通讯作者文章35篇，文章他引次数超过8600余次，H-因子45，2016年和2017年被评为英国高引用科学家，目前担任Physica Status Solidi A (WILEY-VCH)编委和Frontiers Optics and Photonics 编委。

近年来，该课题组在共轭高分子和半导体纳米结构的光电特性及器件、光伏电池及发光二极管等方面取得了非常优秀的成果，相关工作曾经得到Science、Nature Photonics、Nature Climate Change、《泰晤士报》、The Guardian、美国化学会、新华网、X-MOL平台等国内外200多家科学杂志或媒体报道。下面就孙宝全教授课题组在硅光伏电池方面所取得的成果进行简单介绍。

孙宝全教授（前排右三）与课题组成员。图片来源：孙宝全课题组

硅光伏电池作为目前最重要的绿色能源，目前在我国从生产到市场方面取得了巨大的成功。当多数研究人员将工作重心集中于提高含硅光电材料的器件效率时，孙宝全教授课题组的刘玉强、刘瑞远和王玉生等人在推动含硅光伏器件除了光伏发电以外的其它集成应用方面做出了开拓性的工作。

1. 集成硅太阳能电池和纳米发电机集成器件

多雨天气不利于硅电池对能量的吸收，为了成功实现雨天能量的收集，刘玉强等人与孙旭辉课题组合作，开发了一种既可以在晴天通过硅太阳能电池发电，又可以在雨天通过雨滴摩擦纳米发电机进行发电的装置。该工作采用一种导电率很高的高分子聚合物水溶液（PEDOT:PSS）制备出该装置的共同电极薄膜，太阳能电池和“摩擦纳米发电机”通过共同电极集成为一体。这一设计更加简单，大大提高了输出效率。摩擦层采用透明的高分子薄膜聚二甲基硅氧烷（PDMS），因此几乎不会对太阳光的入射产生影响，所以基本不影响太阳能在晴天的正常工作。下雨时，水滴与作为摩擦层的PDMS摩擦带电，如下图1所示。共同电极薄膜作为电荷感应层感应并导出电荷。

图1. 雨滴摩擦发电的工作原理

在这一集成器件的设计中，该工作采用人们日常生活中随处可见的微纳结构，如DVD光盘、CD光盘等作为纳米压印模板制备了纳米结构，该类材料可以有效减小材料的反射率，增强对光的吸收，实现了较高的效率，下图为太阳能电池和摩擦纳米发电机的结构图。

图2. 集成硅太阳能电池和摩擦纳米发电机的示意图

该成果发表在ACS Nano 杂志（ACS Nano, 2018, 12, 2893）上，相关工作得到Nature Climate Change、《新华社》、《泰晤士报》和The Guardian 等近百家媒体宣传报道。

2. 集成硅电池与电容器的发电/储能集成器件

随着便携式电子设备的日益丰富，人们对供能设备的需求也越来越多，对设备的性能和供能也提出了更高的要求。这一能量单元能够同时完成从太阳能到电能的转化和电能的储存，为低价、高效、长续航供能设备的研究提供了新的思路。刘瑞远等人将硅太阳能电池与超级电容器结合，制备出一体化、可以实现自充电的能量单元，并实现了10.5%的总效率，这一数值是当时同类器件的最高纪录。

在这一发电和储能的集成器件中，电容器不仅起到储存能量的作用，更可以将不稳定输入的光电流以恒定的电压放出，使其更接近于实际应用。对太阳能电池中硅片的表面处理也是整个器件能够实现高效率的原因，他们通过蚀刻的方法将硅的表面修饰为硅纳米线阵列，再通过甲基化使得到的纳米线间隔更大、更光滑，提升了传输层PEDOT:PSS的附着效果。太阳能电池和超级电容器之所以能够整合为一个高效的单元，除了使用本身性能优异的电池和电容以外，还在于两者没有使用任何外部连接的方式，而是在硅片背面蒸镀了一个Ti电极作为两者的共用电极，大大降低了能量的损耗。研究人员还尝试将这一复合能量单元制备成为柔性器件，通过减小硅片的厚度，成功得到具备一定弯折性的器件。虽然随着硅片厚度的下降，整体效率也有所下降，但器件本身依旧能够提供稳定的输出电压，为相关研究开辟了新的方向，下图为该器件的结构示意图及其柔性测试。

图3. 集成硅电池与电容器器件结构、表面处理以及柔性测试

该研究成果发表在Nano Letters 杂志（Nano Lett., 2017, 17, 4240）上，并得到欧洲知名电子信息新闻网eeNews Europe的新闻报道。

3. 光效应调制的集成硅电池

对于硅晶太阳能电池，研究者往往在器件中添加抗反射层来增加材料对太阳光的吸收能力，这种方式有利于对长波太阳光的吸收，但不利于短波太阳光的吸收，因此具有一定的弊端。同时，为了提高载流子的收集，人们需要在器件外添加额外的设备，因此需要更多的能量损耗。王玉生同学发现有机卤化钙钛矿纳米颗粒在短波长光照下经过极化可以产生电场,进而增强载流子的收集能力，即场效应管。将钙钛矿纳米颗粒和硅晶结合既有效利用了短波长的太阳光，又可以有效收集载流子，达到了事半功倍的效果，器件结构及光致极化电场的形成过程如下图所示。

图4. 集成硅电池与场效应管器件结构以及光致极化电场

该工作制备了一种异质结太阳能电池，硅和PEDOT:PSS之间形成肖特基势垒。钙钛矿纳米颗粒中的CH₃NH₃⁺-I^-偶极子可以自由旋转。当钙钛矿纳米颗粒与光子发生相互作用时，偶极子有序排列，形成光致极化电场，增加了PEDOT:PSS的功函数和肖特基势垒的高度，从而增强耗尽层中的电场，最终帮助电子的收集。相关工作发表在Advanced Materials 杂志（Adv. Mater., 2017, 29, 1606370）上。

导师介绍

孙宝全

http://www.x-mol.com/university/faculty/18398