太阳能和水势能是自然环境中清洁、无污染的可再生能源。太阳能电池是利用光伏效应将太阳能转化为电能的设备，但外部雨水和污染不仅会降低光伏发电的效率，还会给电池带来不可逆的损失。若能实现保护太阳能电池的同时收集雨水能量，则电池的效率和工作时间将大大提升中国机械网okmao.com。近年来，雨滴太阳能电池得到了迅速发展，其既可以在晴天收集太阳能，也可以在雨天工作以收集雨滴势能。然而，当前雨滴能量收集的低效率是雨滴太阳能电池在实际应用中的主要障碍。
苏州大学孙旭辉教授、文震副研究员，西交利物浦大学刘伊娜讲师等人提出了一种通过共享电极与钙钛矿太阳能电池集成的具有高雨滴能量转换效率的摩擦纳米发电机（MT-TENG）。摩擦电层和电极之间的界面电子可以被具有高介电常数和宽禁带宽度的MoO3层阻挡，从而增加了表面电荷密度。同时，固液界面的顶部电极结构可以使输出电荷总量大幅增加101.1倍。通过调整水滴参数，雨滴输出功率和机械能转换效率分别可以达到0.68 mW和12.49%。此外，基于MT-TENG的钙钛矿太阳能电池展现出19.38%的高光伏功率转换效率，将一个2.2 μF的电容充电至5 V仅需约175 s，在雨天和晴天都能持续供电。该研究以题为“Interface Engineering for Efficient Raindrop Solar Cell”的论文发表在《ACS nano》上。
【雨滴太阳能电池的设计】
作者通过集成基于MoO3/顶部电极的MT-TENG和钙钛矿太阳能电池，设计了一种高效雨滴太阳能电池，来有效地收集雨滴能量和太阳能。作者将MoO3电子阻挡层插入透明氧化铟锡电极和氟化乙烯丙烯（FEP）聚合物摩擦发电层中，构建了MoO3基M-TENG。该结构阻止了接触分离产生的电荷与界面电荷的扩散与复合，因此增加了保留在负摩擦发电层上的电子。此外，作者通过在FEP表面的底部边缘附加Cu电极，利用协同效应极大地提高了电荷转移量。当扩散的水滴开始与Cu电极接触时，大量的负电荷在这个电极周围聚集起来，形成了从上电极到下电极的电场，从而优化了固液界面的电荷复合。该设计取消了电子阻挡层的部分界面屏蔽，并充分利用协同作用快速转移大量电荷，从而实现高能量转换。
图1电子阻挡层对增强TENG性能的影响
图2液滴模式下MT-TENG的工作原理和性能
【水滴参数的影响】
作者研究了水滴下落的不同高度、速度、表面角度以及水滴种类对输出性能的影响，优化后获得的最大输出电功率可达0.67 mW，机械能转换效率可达12.49%。为了评估MT-TENG在实际应用中的适用性，作者量化了离子浓度对MT-TENG输出性能的影响。结果表明，弱离子的存在可以降低水溶液的阻力，从而提高输出性能。但当离子浓度超过适当浓度时，会发生电容的泄漏和摩擦发电层的屏蔽效应，从而降低电荷转移。为了研究雨滴的不同下落状态对电气性能的影响，作者控制不同的雨滴体积和下落位置以模拟实际降雨条件。结果表明，在任何位置或小雨条件下都可以收集雨水能量，且较高的液滴位置和较大的液滴体积会产生更高的输出，展现了雨滴收集能源效率的优势。
图3不同水滴参数下MT-TENG的输出性能
【雨滴太阳能电池的应用】
作者基于MT-TENG构建了一个高效的雨滴太阳能电池，其由最外层的一个MT-TENG和四个钙钛矿太阳能电池构成，每个钙钛矿太阳能电池由ITO/SnO2/CsFAMAPbIBr/PTAA/Ag组成。作者提出了共享电极的结构设计，解决了额外ITO电极会降低钙钛矿太阳能电池的透射率问题，从而减轻对太阳能电池性能的影响并简化电路连接。雨滴太阳能电池的电压为1.09 V，短路电流为23.16 mA/cm2，填充因子为0.77，光伏功率转换效率可达19.39%。该电池可用于能量收集、存储和为电子设备供电。雨水的能量经过MT-TENG收集后，只需∼175秒即可将2.2 μF电容器充电至5 V。因此，该基于钙钛矿太阳能电池和MT-TENG的雨滴太阳能电池不仅在阳光下具有大输出，而且在下雨时也大大提高了能量收集效率。
图4雨滴太阳能电池
总结：作者报道了一种基于MT-TENG和钙钛矿太阳能电池的雨滴太阳能电池，以实现高雨滴能量效率和太阳能转换效率。该雨滴太阳能电池在雨天和晴天都可以持续供电，将一个2.2 μF的电容充电至5 V仅需175 s左右。基于这项工作中所提出的界面设计策略，高效的雨滴太阳能电池有望在未来成为极具潜力的能量收集系统。