新型太陽能電池：陽光和雨滴都可以用來發電！

導讀

近日，中國蘇州大學功能納米與軟物質研究院孫寶全教授課題組與孫旭輝教授課題組合作在《ACS Nano》上發表論文，將太陽能電池與摩擦電納米發電機（TENG）結合，開發出一種混合型太陽能電池，既可以利用陽光發電，也可以利用雨滴發電。

背景

傳統的礦物燃料例如石油、天然氣和煤，都屬於不可再生資源，且燃燒時會釋放出大量二氧化碳，引起溫室效應，破壞生態平衡。因此，在新技術與新材料的基礎上，人類開始利用清潔環保、生態友好、可再生的新能源，例如：太陽能、生物質能、風能、地熱能、波浪能、洋流能和潮汐能等等。

太陽能是最具代表性的新能源之一，具有極高的開發和利用價值，其優勢包括：清潔、環保、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電，其中太陽能電池扮演了關鍵角色。在之前的文章中，筆者介紹過多個與太陽能電池相關的創新研究進展。

（圖片來源：維基百科）

然而，在利用太陽能電池發電方面一直存在一個制約因素：陰雨天氣條件會嚴重影響發電量。在經常下雨的地區，太陽能電池可能並不是一個好選擇，因為陰雲密布阻擋了陽光，從而影響了太陽能電池的發電量。

創新

近日，中國蘇州大學功能納米與軟物質研究院孫寶全教授課題組與孫旭輝教授課題組合作在《ACS Nano》上發表論文，將太陽能電池與摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator,
TENG）相結合，開發出一種混合型太陽能電池，它既可以利用陽光發電，也可以利用雨滴發電。

技術

摩擦電納米發電機，讀過筆者文章的朋友一定都不會陌生，之前的文章例如：《新型摩擦電納米發電機：可利用人體運動實現無線供電！》、《新型摩擦電納米發電機：靈感來源於中華傳統剪紙！》、《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》、《可貼到皮膚上的金標籤：利用人體運動發電！》都介紹過有關摩擦電納米發電機的研究成果。

簡單說，摩擦電納米發電機是通過採集我們周圍的機械能發電，例如利用彎曲手指或者跑步等人體運動的能量。

（圖片來源：《納米能源》）

摩擦電納米發電機的發電原理是什麼？

由於摩擦起電效應，在摩擦電納米發電機的內部電路中，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，在二者之間形成電勢差；在摩擦電納米發電機的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在摩擦電材料層背面的「兩個電極之間」或者「電極與地之間」流動，從而平衡這個電勢差。

之前的許多有關摩擦電納米發電機的研究，都是想利用人體運動的能量發電。然而，蘇州大學的科研人員卻利用了雨滴的能量發電，他們將摩擦電納米發電機集成到太陽能電池中，讓太陽能電池在雨天也能有效發電。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電機（TENG），但這些設備往往非常笨重且難以製造，而蘇州大學的科研團隊旨在開發一種更好的混合能源採集系統。

那麼，這種混合型太陽能電池有什麼獨特的地方呢？

研究人員採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，導電率很高。

摩擦電納米發電機位於太陽能電池之上，結合了作為摩擦電材料的PDMS與作為電極的PEDOT:PSS 層。PEDOT:PSS 薄膜層位於太陽能電池與摩擦電納米發電機之間，成為太陽能電池與摩擦電納米發電機的共同電極。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。當雨滴落下時，頂層的摩擦電納米發電機被激活，PEDOT/PSS材料薄膜層會將摩擦電納米發電機生成的電能傳送至太陽能電池。此外，因為聚合物是透明的，所以在晴天時，太陽能電池仍然可以從陽光中採集能量。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

這項研究非常具有創新性，它使得太陽能電池無論是晴天還是雨天，都可以採集能量發電，有效地將太陽能電池技術和摩擦電納米發電機技術的優勢結合起來，很好地整合到一個系統中去，提供一種高效的能源利用方式。

關鍵字

太陽能、摩擦電納米發電機

參考資料

【1】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-march-7-2018/with-a-teng-solar-cells-could-work-come-rain-or-shine.html

【2】Yuqiang Liu, Na Sun, Jiawei Liu, Zhen Wen, Xuhui Sun, Shuit-Tong Lee, Baoquan Sun. Integrating
a Silicon Solar Cell with a Triboelectric Nanogenerator via a Mutual
Electrode for Harvesting Energy from Sunlight and Raindrops. ACS Nano, 2018; DOI: 10.1021/acsnano.8b00416

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