阳光和雨滴都可以用来发电的新型太阳能电池

背景

传统的矿物燃料例如石油、天然气和煤，都属于不可再生资源，且燃烧时会释放出大量二氧化碳，引起温室效应，破坏生态平衡。因此，在新技术与新材料的基础上，人类开始利用清洁环保、生态友好、可再生的新能源，例如：太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能等等。

太阳能是最具代表性的新能源之一，具有极高的开发和利用价值，其优势包括：清洁、环保、可再生、易获取、低成本等。目前最常见的太阳能利用方式就是太阳能发电，其中太阳能电池扮演了关键角色。在之前的文章中，笔者介绍过多个与太阳能电池相关的创新研究进展。

然而，在利用太阳能电池发电方面一直存在一个制约因素：阴雨天气条件会严重影响发电量。在经常下雨的地区，太阳能电池可能并不是一个好选择，因为阴云密布阻挡了阳光，从而影响了太阳能电池的发电量。

创新

近日，中国苏州大学功能纳米与软物质研究院孙宝全教授课题组与孙旭辉教授课题组合作在《ACSNano》上发表论文，将太阳能电池与摩擦电纳米发电机（TriboelectricNanogenerator,TENG）相结合，开发出一种混合型太阳能电池，它既可以利用阳光发电，也可以利用雨滴发电。

技术

摩擦电纳米发电机，读过笔者文章的朋友一定都不会陌生，之前的文章例如：《新型摩擦电纳米发电机：可利用人体运动实现无线供电！》、《新型摩擦电纳米发电机：灵感来源于中华传统剪纸！》、《可穿戴设备通过人体运动供电，可行吗？》、《可贴到皮肤上的金标签：利用人体运动发电！》都介绍过有关摩擦电纳米发电机的研究成果。

简单说，摩擦电纳米发电机是通过采集我们周围的机械能发电，例如利用弯曲手指或者跑步等人体运动的能量。

摩擦电纳米发电机的发电原理是什么？

由于摩擦起电效应，在摩擦电纳米发电机的内部电路中，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移，在二者之间形成电势差；在摩擦电纳米发电机的外部电路中，电子在电势差驱动下，在摩擦电材料层背面的“两个电极之间”或者“电极与地之间”流动，从而平衡这个电势差。

之前的许多有关摩擦电纳米发电机的研究，都是想利用人体运动的能量发电。然而，苏州大学的科研人员却利用了雨滴的能量发电，他们将摩擦电纳米发电机集成到太阳能电池中，让太阳能电池在雨天也能有效发电。之前，也有一些类似的研究在太阳能电池中添加了赝电容或摩擦电纳米发电机（TENG），但这些设备往往非常笨重且难以制造，而苏州大学的科研团队旨在开发一种更好的混合能源采集系统。

那么，这种混合型太阳能电池有什么独特的地方呢？

研究人员采用了两种聚合物材料：PDMS和PEDOT:PSS，PDMS是指聚二甲基硅氧烷，PEDOT:PSS是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高。

摩擦电纳米发电机位于太阳能电池之上，结合了作为摩擦电材料的PDMS与作为电极的PEDOT:PSS层。PEDOT:PSS薄膜层位于太阳能电池与摩擦电纳米发电机之间，成为太阳能电池与摩擦电纳米发电机的共同电极。就太阳能电池而言，加入PEDOT:PSS可以减少光线反射，从而改善其性能。当雨滴落下时，顶层的摩擦电纳米发电机被激活，PEDOT/PSS材料薄膜层会将摩擦电纳米发电机生成的电能传送至太阳能电池。此外，因为聚合物是透明的，所以在晴天时，太阳能电池仍然可以从阳光中采集能量。

价值

这项研究非常具有创新性，它使得太阳能电池无论是晴天还是雨天，都可以采集能量发电，有效地将太阳能电池技术和摩擦电纳米发电机技术的优势结合起来，很好地整合到一个系统中去，提供一种高效的能源利用方式。