【引言】?
?近幾年來，基于晶面可持續清潔能源供應是異性我們社會健康發展的關鍵要求。自從18世紀英國首次使用煤炭代替柴火取暖以來，伏和發電化石燃料已成為300多年來的熱電主要能源，從而引發了工業革命。新概然而，念策隨著資源的略材料?？萁撸饕紵a物CO2引起的基于晶面溫室效應以及化石燃料中的雜質（SOx，NOx和顆粒物）對環境和生態系統的異性有害影響，使得人們越來越重視清潔和可再生能源。伏和發電由于出色的熱電可再生性，豐富性和清潔性，新概太陽能被認為是念策未來可持續發展最有希望的替代能源之一。另一方面，略材料牛將熱能（尤其是基于晶面紅外熱能）轉換為有用的電能也被認為是為未來提供無窮電力的重要途徑。但硅基PN結太陽能電池的生產消耗大量能量，且價格昂貴。下一代包括鈣鈦礦太陽能電池（PSC）和染料敏化太陽能電池（DSC）在內的電池，通常具有常規（n–i–p）和倒置（p–i–n）結構，但不足的穩定性和/或效率限制了其發展，迫切需要開發替代的具有低成本，高性能，環保型太陽能電池，以進一步擴大太陽能的使用范圍。近日，科學家發現幾種氧化物半導體中的各向異性晶面表現出不同的催化性能，能夠促進太陽能電池的發展。
近日，南京工業大學邵宗平教授和江蘇科技大學Yang Li（通訊作者）首次引入“各向異性晶面”概念，并通過應用半導體中不同面的內在特性來制造能夠將光能和熱能均轉換為電能的無p–n結/異質結電池。簡而言之，電化學驅動的單晶Cu2O?定向生長誘導了各向異性形態的形成，其界面與{ 111}面中的襯底生長有關，而暴露的表面完全位于{ 100}面中。兩種截然不同的晶面顯示出不同的能級和物理特性，從而實現了有效的自激載流子分離?；谶@種新型的“各向異性晶面”的單晶Cu2O在AM?1.5G模擬日光下，可產生0.887V的最大開路電壓，2.0?mW?cm-2的最高能量輸出。希望借此項開創性的工作為研究光伏和熱電器件的新策略和結構提供靈感，并通過開發高效和低成本能源利用技術，開辟一條新的道路。相關研究成果以“A New Concept and Strategy for Photovoltaic and Thermoelectric Power Generation Based on Anisotropic Crystal Facet Unit”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。
【圖文導讀】
圖一、單晶膜的生長過程
（a-g）Cu2O“各向異性晶面”隨時間的生長過程的SEM圖像；
（h）Cu2O“各向異性晶面”沿Z軸定向生長的示意圖。
?圖二、Cu2O的物性表征
（a）合成的Cu2O { 100}和{ 111}晶面的SEM圖像；
（b）{ 100}和{ 111}晶面的漫反射紫外可見吸收光譜；
（c）合成的Cu2O的XRD圖譜；
圖三、Cu2O的能帶結構
（a）Cu2O“各向異性晶面”和相應的能帶結構的示意圖；
（b）具有兩個均質晶面和相應的能帶結構的Cu2O的示意圖；
圖四、模擬AM 1.5G太陽光研究Cu2O“各向異性晶面”?的光電轉換性能
（a）在配備紅外截止濾光片的AM 1.5G輻照下，有和沒有“各向異性晶面”的情況下的J–V曲線；
（b）Cu2O“各向異性晶面”的入射光子-電流效率（IPCE）和IPCE值乘以太陽AM?1.5G圖譜；
（c）“各向異性晶面”的熱電效應；
（d）在AM 1.5G的總輻照度下，有和沒有“各向異性面”?的J–V曲線。
圖五、密度泛函理論（DFT）計算以及基本的物理見解
（a）從DFT計算中分別得出Cu2O（100）和（111）晶面的電子能帶結構和電子態密度（DOS）
（b）羥基離子分別吸附在Cu2O（100），（111）和（110）晶面上，以及相應的電荷密度分布；
（c）Cu2O“各向異性晶面”?的能帶結構和發電機理示意圖。
圖六、Cu2O的穩定性研究
（a）在環境和潮濕的室內空氣中，Cu2O“各向異性晶面”?的電化學阻抗譜；
（b）在干燥的惰性氣氛中，Cu2O“各向異性晶面”?的電化學阻抗譜；
（c）在環境和潮濕室內空氣中，PUA封裝的Cu2O“各向異性晶面”?的電化學阻抗譜；
（d）在總AM 1.5G太陽輻射下，Cu2O“各向異性晶面”?的耐久性。
【小結】
綜上所述，本研究基于“各向異性晶面”，開發了一種新型的光伏和熱電發電機理和策略。“各向異性晶面單元”具有自發誘導電子和空穴進入不同的晶面的能力，更具體地，當前{ 100}和{ 111}晶面分別承擔正極和負極的作用。以Cu2O為模型半導體，在模擬AM?1.5G光照下，“各向異性晶面”的轉換效率為2.0%。 此外，適當使用“各向異性晶面”有望大大降低制造成本，提高PV和TE效率。 這項開創性的技術也有望應用于其他半導體，并與其他半導體改性技術相結合。
文獻鏈接：“A New Concept and Strategy for Photovoltaic and Thermoelectric Power Generation Based on Anisotropic Crystal Facet Unit”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202002606)
本文由CYM編譯供稿。
