设想这样一个场景，当大雨滂沱的时候，雨水除了为植株提供水分补充、以及清洗空气中的污染物之外。通过简单的纳米结构器件，就能收集雨滴的能量，并将其转化成电能。
这或许听起来像是小说中的情节，然而，这并非是虚构的幻想，而是一个极有可能变为现实的前景，同时这也会让我们重新审视雨天，它不再只是灰蒙蒙的天空和湿漉漉的街道，而是一个充满能量的机会。
前不久，苏州大学教授团队在一篇论文中阐述了这一机会。他们发明了一种基于全新概念的水伏发电器件（Hydrovoltaic Devices, HDs）。
这是一种铁电增强型水蒸发诱导水伏发电器件，只需一滴水就能产生 1.04V 的电压。相比常规的水伏发电器件，本次水伏发电器件的发电效率有着显著提升。
（来源：Advanced Energy Materials）
研究中，他们将超薄可极化铁电聚合物（P(VDF-TrFE）），夹在纳米结构硅和顶部电极之间，形成一个独特的不对称异质结，借此造出了这种水伏发电器件。
这种设计让器件能够获得稳健的电信号输出，并让电信号具备优异的可调节能力。在正向极化状态之下，通过界面偶极子的形成，可以建立一个强大的非对称电场，从而让电荷能被高效地扫出异质结。
凭借这一机制显著提升了器件可产生的开路电压，达到 1.04V 之高，几乎是反向极化情况下的三倍。
同时，这款器件还具备多功能的应用潜力。除能作为发电器件之外，它还展示出优异的环境感应特性，故能用于自供电的环境温度检测器、智能水位报警系统、以及自动/手动双模式灌溉控制系统。
这些应用展示了铁电辅助的水伏器件在多领域的独特性能和广泛适用性。整体而言，这项工作为可调节电性能的铁电辅助水伏器件开辟了新前景，并为智能化和自动化系统的发展提供了创新解决方案。
它不仅突破了硅材料的柔韧性限制，更为水伏技术开发提供了一种全新的路径。同时，这种创新思路将为能源科技研究带来新的可能，为解决清洁能源转型中的技术挑战提供了解决方案。
它将为人类提供更多清洁能源的选择，让即便是看似微不足道的雨滴，也能为电力系统注入新的生机，并将助力人类更好地应对气候变化。
未来通过改良硅纳米线的结构，有望造出更灵活、更具适应性的水伏器件，从而让可再生能源领域迈出一大步。
眼下看来，仍需对水伏发电器件进行一定的优化，才可以满足更多类型的环境需求。整体来说，水伏发电器件的应用前景主要有以下几点：
其一，通过纳米发电机的集成开发，协同收集水蒸发、水分、以及热量波动的能量。机械振动、太阳能和风能等，也是这种集成系统的潜在候选者，即它可以从周围环境中捕获多种形式的能量。
其二，通过纳米发电机的集成开发，不仅有望提高水伏发电的性能，还能为低能耗设备提供可持续的能源。对于传感器、忆阻器和晶体管等低功耗模块的组合来说，水伏发电器件也可以成为它们的驱动装置。
其三，水伏发电器件的架构采用低功耗的模块组合，这为大规模用于自供电人工智能、医疗保健和信息技术提供了可能。举例而言，可以让皮肤贴片从汗液和水分中获取能量，对用户的运动情况和健康情况进行实时监测。
其四，作为一种自充电系统，水伏发电器件有着巨大的潜力，能在没有外部电源的情况下，从周围环境中捕获能量，并能为能量存储设备进行充电。
未来，将水伏技术与超级电容器或电池加以结合，即可构建混合自充电的系统，有望弥合当前相对较低的发电量与实际需求之间的差距，从而推动智能通信网络的发展，为自供电高性能电子产品的建设带来新前景。
小雨滴中的“一方天地”
当前，在追求清洁电源的路上，各种前沿科技正在不断开辟新的可能。对于微弱但却广泛分布的能量，比如前面提到的雨水中的微小能量，已经被课题组研究了数年之久。
2020 年，他们将硅纳米线阵列结构作为水伏器件发电源，并在相关论文中展示了一种新型水伏装置。
该装置能够利用硅纳米线阵列中的水流，根据自然水蒸发产生恒定的电力，通过改变水中离子的浓度、以及改变硅纳米线的长度和表面电荷实现发电，这一发电机制主要归因于流动电势。
（来源：Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10619.）
但是，由于硅纳米线阵列的表面结构比较复杂，导致载流子复合情况极其严重，因此需要选择性地调控载流子的分离。
与表面改性、结构优化和光热调制等方法相比，在场驱动极化的可逆转换、以及长时间极化维持上，铁电调控的方法具有独特的优越性。
小夹层带来大电场
后来，在本次 Advanced Energy Materials 论文的研究之中，他们了解到在活性层和电极之间，加入铁电材料聚偏二氟乙烯（P(VDF-TrFE)），是一个提高太阳能电池电学性能的常用方法。
因此，其通过调整铁电畴的极化方向，让 P(VDF-TrFE) 夹层产生更强的电场，借此有效促进电荷载流子的分离，从而进一步提高输出功率。
最终，相关论文以《铁电层辅助不对称异质结提高硅水力发电装置的功率输出》（）为题发在 Advanced Energy Materials[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Energy Materials）
苏州大学三年级硕士生宋宇航是第一作者兼共同通讯，苏州大学教授、 教授和 教授担任共同通讯作者。
图 | 宋宇航（来源：宋宇航）
接下来，他们将继续聚焦于硅纳米线阵列，尤其将重点关注硅这一刚性材料的特性。
担任本次论文第一作者的宋宇航表示：“我们深知硅在柔性方面的局限性，其刚性可能会对水伏器件的性能产生一定制约。因此，我们计划通过刻蚀技术的运用，着手改变硅纳米线的表面形貌。”
具体而言，他们将通过精密的刻蚀工艺，对硅纳米线进行定向处理，以期改变其表面的硬度和柔韧性，旨在实现硅纳米线阵列的转移，从而摆脱硅刚性部分的束缚，希望最终可以获得柔性、高性能的硅纳米线水伏器件。
参考资料：
1.Song, Y., Song, Z., Jiang, C., Xing, C., Zeng, X., Zhang, Z., ... & Sun, B. Ferroelectric Layer‐Assisted Asymmetric Heterojunction Boosts Power Output in Silicon Hydrovoltaic Device.Advanced Energy Materials, 2302765.
2.Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10619.
运营/排版：何晨龙
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