2023年12月8日，云南大学化学科学与工程学院包黎霞、王继亮课题组在Nano Energy上在线发表了一篇题为“Transduction of UV-light Energy into Alternating- current Electricity via a Neglected Internal Photoelectric Effect of Metal Foil-based Nanogenerator”（论文链接https://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(23)01011-X,IF=17.6）的研究论文，该研究发现了基于金属/聚合物/金属“三明治”结构的“忽略内光电效应”，并首次报道了采用这种内光电效应将紫外光光能转换为电能的微观工作机理。
在课题组前期“光-机-电”效应的研究基础之上，该团队进一步报道了一种采用绝缘高分子和金属薄膜直接将紫外光光能转换为交流电电能的方法，并结合开尔文探针显微镜技术，探究了这种采用非法拉第效应获得交流电的微观机理，成果所述“内光电效应”为光电转换器件提供了新的策略和方向。同时，论文还详细讨论了这种新型纳米发电机的理论电流密度（j）与实际测试j值间的差异，文中所建立计算j值的方法适用于绝大多数非四方晶系的金属薄膜，该成果能为自供电及柔性可穿戴器件的开发提供新的思路。
能源是人类赖以生存和发展的基础，对可再生能源的挖掘与利用是现今能源研究的重要趋势。人们研究环境中甚至人体中可再生能源的能量收集，例如风、波浪、阳光、机械运动和热。可再生能源能够根据不同的能量收集机制如光伏效应、电磁感应、热电效应、压电效应、摩擦起电效应及其混合机制转化为电能。随着对能够感知环境参数和用户活动信息的便携式和柔性设备的需求急剧增加，针对可持续的能量收集和使用分布式能源高熵能源的研究热度不断高涨。然而，鲜有研究直接利用绝缘高分子和金属箔通过非法拉第电磁感应定律获得交流电。这种复合结构，特别是金属箔本身强大的电输出性能一直被忽视。
图1：NIPEGs的设计与性能示意图（a)NIPEG的结构示意图，（b)NIPEG在不同条件下的实物图，（c），（d)NIPEG的开路电压和短路电流
前期工作中，该团队从分子结构设计的角度，将在紫外照射下具有顺反异构变化的偶氮苯基团和具有弱离子相互作用的咪唑离子液体，共聚到同一大分子主链中，以分别作为光敏和压电离子单元，最终获得一系列具有特殊光电功能的电子绝缘聚合物（EIPs）。不同于半导体通过光伏效应或金属通过外光电效应产生直流电的机理，该团队所合成的基于EIPs的纳米发电机在小功率密度的紫外线照射下，就可以产生交流电（1、Matter，2022，5，3977；2、Photomechaelectric nanogenerators with different photoisomers and dipole units for harvesting UV light energy,Small,DOI: 10.1002/smll.202307786)。在此过程中，研究人员意外地发现，当被绝缘高分子分隔的金属膜被紫外光直接照射时，示波器上也可以检测到电压信号。于是，团队进一步制备了一系列基于绝缘高分子和金属薄膜且具有“三明治”结构的纳米发电机（NIPEGs），并对其光电转换机理进行了深入研究。
团队所制备的NIPEGs（见图1a）主要由顶部金属箔、网状集流体、电子绝缘聚合物层和底部金属箔组成，该器件具有较好的柔韧性和可弯曲性能（见图 1b 中弯曲、扭曲和折叠的照片）。与典型的Cu/PTFE/PET/Cu基摩擦纳米发电机（TENG）和Cu/PTFE/Al基水滴发电机（DEG）相比，本文所开发NIPEGs整流后的电能比传统摩擦电纳米发电机和水滴纳米发电机高出几个数量级（见图2），在高熵能量收集和转换领域表现出巨大的应用潜质。
图2：NIPEG与TENG、DEG表面电荷转移的对比
相关研究结果显示，所制备的NIPEGs在仅3.1 mW/cm2的紫外光辐照时即可产生100 V以上的交流电，且经过整流电路整流处理后可多次、持续点亮商用LED二极管，300 s内能将2200 μF大容量商用电容器的电压充电至7 V以上。同时，研究人员还发现，NIPEGs甚至可以为商用超级电容器充电。在此基础上，研究人员使用开尔文探针显微镜对其微观工作机理和光电转换机制进行了研究（如图3所示），并结合理论计算，讨论了“忽略内光电效应”将光能转换为电能的合理性。
图3：开尔文探针显微镜对NIPEGs微观工作机理的研究
论文通讯作者为包黎霞副教授、王继亮教授；第一作者为硕士研究生贾艺繁、刘芃芃。该工作得到国家自然科学基金（21961044，22169024）、云南省基础研究计划（202105AC160072、202101BC070001-19、202101AT070280、202102AB080017、202201AT070096、202301AT070121）和云南大学研究生科研创新基金（KC-22222314和ZC-22222332）的支持。
供稿：化学科学与工程学院
编辑：李哲 责任编辑：王崴
