中国科学家研制新型半导体柔性透明储能器件

据中国科学报报道，中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强团队（先进材料与新能源应用课题组）研制成功一种新型透明半导体柔性透明储能器件，综合性能优于目前报道的所有透明储能器件。相关研究成果以“Interstitial boron-doped mesoporous semiconductor oxides for ultratransparent energy storage” 为题，近日发表于《Nature Communication》杂志。

随着电子产品向可穿戴、移动化、超轻薄、透明、微型化发展，轻便、柔性甚至全透明的储能器件在未来便携式设备中具有广阔的应用前景。然而，在柔性透明储能器件中，透光率和能量密度相互影响，提升单一性能往往导致另一性能的大幅下降，同时还需提高储能器件的容量，这些都带来了极大的挑战。

为此，黄富强团队通过合理的晶体掺杂设计，成功制备了一系列间隙硼掺杂的介孔宽禁带半导体氧化物(氧化锡SnO₂、氧化锌ZnO及氧化铟In₂O₃)。在这一类新型的透明半导体氧化物中，间隙硼原子不仅能够大幅度提升掺杂材料的载流子浓度，为羟基（OH-）的嵌入提供丰富的结合位点，还在间隙掺杂位上引发与OH-的赝电容电化学反应，从而将赝电容惰性的氧化锡、氧化锌和氧化铟，转化为高电化学活性的超级电容器电极材料。通过控制间隙硼掺杂的浓度，这一类介孔透明半导体氧化物的体积比容量可以达到每立方米1172毫法拉（mF/cm³），实现与其他非透明金属氧化物的赝电容性能相近。

这种新型透明半导体材料与聚乙撑二氧噻吩—聚(苯乙烯磺酸盐) （PEDOT:PSS）导电聚合物均匀共混后，通过气溶胶喷涂技术涂敷在透明聚对苯二甲酸（PET）基底上制作电极。基于这种电极构建的透明柔性超级电容器，在15000次循环后容量保持率接近100%，其面积能量密度和器件透光率可达每平方米1.36 × 10毫瓦时和 85%。

黄富强表示，该研究为设计合成具有优异电化学活性的透明半导体氧化物提供了全新的研究思路。

相关论文信息: https://www.nature.com/articles/s41467-020-20352-4

责编：Luffy Liu

本文综合自中国科学报、中科院上海硅酸盐所、Nature Communication报道