科學家提出新型光電容集成概念

　　最近，中科院半導體所超晶格國家重點實驗室沈國震研究員與中國科學院上海高等研究院李東棟副研究員合作，提出了一種新型的基于雙面二氧化鈦納米管陣列組裝的光電容集成概念，并且通過對材料的摻雜改性，成功地制備出了具有優良能量轉換與存儲總效率、高循環穩定性的集成光電容器件。相關成果發表在2014年4月德國Wiley主辦的Advanced Functional Materials(2014, 24, 1840-1846.)上。該成果同時入選該期刊的內封面論文，并被MaterialsViewsChina網站報道，相關內容如下：

　　可持續的能量轉換與存儲技術為滿足未來綠色環保的能量需求提供了重要的發展方向。伴隨著接近15%的光電轉換效率和低廉的成本，染料敏化太陽能電池被認為是最具競爭力的光伏電池之一。同時，電化學超級電容器因其超高的功率密度和循環壽命，在電子產品、電動汽車和智能電網等新興產業中得到了廣泛的關注。然而，在同一工作體系中，目前所用的光電轉換器件和能量存儲器件都是通過外接電路連接并且獨立控制的，這就不可避免的造成了空間的浪費與能量的額外消耗。

　　針對這一問題，中國科學院半導體研究所沈國震研究員課題組與中國科學院上海高等研究院李東棟副研究員合作，提出了一種新型的基于雙面二氧化鈦納米管陣列組裝的光電容集成概念，并且通過對材料的摻雜改性，成功地制備出了具有優良能量轉換與存儲總效率、高循環穩定性的集成光電容器件。相關結果發表在Advanced Functional Materials上。

　　該團隊通過簡單的電化學陽極氧化方法在鈦片基底上制備了雙面有序排列的二氧化鈦納米管陣列。以其中一面二氧化鈦納米管陣列為光陽極組裝成為染料敏化太陽能電池之后獲得了3.17%光電轉換效率。同時，以氫氣等離子體對另外一面二氧化鈦納米管陣列進行處理，然后與染料敏化太陽能電池中的鈦基底共同作為超級電容器的負極，結合同樣處理后的另一片單面二氧化鈦薄膜作為正極，組裝成對稱型超級電容器(其面積比電容達到1.100 mF/cm2)。將太陽能電池部分的對電極與超級電容器部分的正極連接控制，最終形成集成光電容器件。在可見光照射下，集成器件的測試結果表明：(1)在光充電1秒內迅速產生2.6 mA/cm2的脈沖光電流，然后逐步衰減至0.025 mA/cm2。與此同時，光電容的電壓逐步達到0.61V，與太陽能電池的開路電壓(0.63V)接近，從而實現了對電容器的快速充電。(2)在這一秒內，光電容獲得了高達1.64%的光電轉換與能量存儲總效率和51.60%的最大能量存儲效率。(3)循環100圈之后，光電容仍能保持穩定的光充電與恒流放電效果，比電容量保持率高達96.5%。進一步將多個光電容串聯后，可以有效的將輸出電壓提高到2.5V，增強了光電容的實用性。

　　該工作驗證了集成光電容的設計概念的可行性，有望在輕質、便攜、節能器件中得到應用。同時，采用柔性基底還有望實現柔性集成光電容系統，從而在下一代柔性、可穿戴器件中得到廣泛的應用。