Nano Energy綜述:基于有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦的柔性壓電發電機


【引言】

開發可持續能源來驅動自供電、便攜式設備一直是能源研究中的一個挑戰。機械能是一種常見的可持續能源,通過壓電效應可將環境中豐富的機械能轉化為可用電能。壓電發電機具有優異的機電轉換性能,在近期的能源研究中受到廣泛關注。有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦(organic-inorganic metal halide perovskites,簡稱OMHPs)具有較高的功率轉換效率,還易于用溶液法制備,有著較強的光吸收能力、可調的帶隙、較高的載流子濃度,在太陽能光伏領域中作為電子元器件應用很多。此外,OMHPs還具有很好的介電和壓電性能,可達到的水平和無機壓電材料的相近,在機械能量收集器中也有用武之地。

【成果簡介】

近日,韓國忠南大學Soon-Gil Yoon教授、Jihoon Choi副教授韓國電子通信研究院Hye-Jin Kim研究員(共同通訊作者)合作,在Nano Energy上發表了題為“A comprehensive review of ?exible piezoelectric generators based on organic-inorganic metal halide perovskites”的綜述文章。該綜述回顧了近期基于有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦(OMHPs)的納米壓電發電機的最新相關進展,包括材料分類、結構性質和基于現有文獻的介電、鐵電和壓電性質。此外,還提及了大量用于合成高質量鈣鈦礦薄膜和晶體的方法。在對壓電發電機(piezoelectric generators, PEGs)的概述中,文章介紹了基于OMHPs和聚合物復合材料的各類柔性壓電發電機,對柔性壓電發電機制備、結構設計和決定輸出的參數以及應用作了詳盡闡述。最后,就這一領域內重要的實驗特性、觀點和熱點話題展開了一些討論及建議。

【圖文導讀】

圖1:有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦的晶體結構。

(a)通式為ABX3的鈣鈦礦的晶體結構;

(b)不同的常用有機無機雜化鈣鈦礦化合物,經計算得到的八面體和容差因子。

圖2:分別在界面/空間電荷極化、取向極化、離子極化和電子極化機制下,介電常數的實部和虛部與頻率的依賴關系。

圖3:MAPbI3介電常數的溫度依賴關系。

(a)正交-四方相變;

(b)四方-立方相變;

(c)含不同體積分數的Fe2+的MAPbI3,在100kHz下測量的四方-立方相變;

(d)含不同體積分數的MAPbI3的MAPbI3-PVDF復合物薄膜,在1kHz下測得的介電常數和損耗角正切。

 

圖4:壓電力顯微鏡對OMHPs鐵電性能的表征。

(a)直流極化后,原子力顯微鏡地形圖(上方一行),和對應的表現A·sin(φ)壓電響應的壓電力顯微鏡圖像,表明β-MAPbI3薄膜中部分可逆鐵電疇在不同偏壓過程后發生了轉換;

(b)TMCM-MnCl3的鐵電疇結構的壓電力顯微鏡相位圖像;

(c)TMCM-MnCl3的鐵電疇結構的壓電力顯微鏡幅值圖像。

圖5:壓電力顯微鏡對OMHPs壓電性能的表征。

(a)不同環境條件下,撓度和VAC的關系;

(b)強度調制△I和穿過晶體、頻率為1kHz的交流外加電場幅值Vac關系中得到的,MAPbI3單晶的壓電系數;

(c)壓電力顯微鏡測量樣品的示意圖,以及在PZT,Au,ITO 和STO上的MAPbI3d33tMA的關系圖;

(d)在光照下的MAPbI3的分子排列示意圖以及其光照增強的壓電性。

(e)TMCM-MnCl3的壓電系數d33隨溫度變化曲線;

(f)TMCM-MnCl3與無機分子壓電材料的壓電系數比較。

圖6:鈣鈦礦多晶薄膜的典型合成方法示意圖。

(a)在DMF中溶解PbI2和MAI混合物的一步溶液制備法;

(b)PbI2和MAI順序涂布形成MAPbI3

(c)PbI2和MAI順序涂布結合旋涂和浸涂制備法;

(d)根據不同前驅體溶液濃度得到不同晶粒大小的MAPbI3薄膜的SEM形貌圖;

(e)使用不良溶劑經快速沉積結晶技術制備MAPbI3薄膜和對應的SEM圖像;

(f)使用PbCl2和MAI源進行雙源真空蒸鍍;

(g)兩步輔助化學氣相沉積法將MAI有機蒸汽沉積在PbI2薄膜上。

圖7:低維OMHP納米晶的典型合成過程的示意圖描述。

(a)LARP過程和合成所得納米晶的TEM圖像;

(b)無水乳液合成過程以及所得納米晶粉末的照片;

(c)超聲破碎法和所得OMHP納米晶的TEM圖像;

(d)通過配位體輔助球磨法得到的10g MAPbBr3納米晶。

圖8:OMHP基壓電發電機。

(a)MAPbI3薄膜壓電發電機的發電機制示意圖;

(b,c)含Fe2+的MAPbI3壓電發電機的示意圖和實物照片;

(d)含Fe2+的MAPbI3壓電發電機輸出電壓和電流密度隨Fe2+濃度變化的比較;

(e)外加機械壓力期間LED瞬時發光的圖像;

(f)使用雙區域CVD系統進行MAPbI3沉積的示意圖;

(g)MAPbI3壓敏和光敏雙峰傳感器的示意圖;

(h)從電壓-壓力曲線可評價MAPbI3壓力傳感器的敏感度。

圖9:MAPbI3鈣鈦礦薄膜構成的單一結構TPS(熱電、壓電、太陽能)融合能量收集器。

(a)制備步驟;

(b)捕捉到的形電極(IDE)基MAPbI3壓電發電機數字圖像;

(c)捕捉到的形電極(IDE)基MAPbI3壓電發電機光學圖像;

(d)基于形電極(IDE)的MAPbI3壓電發電機的示意圖和SEM橫截面圖像;

(e)基于形電極(IDE)的MAPbI3壓電發電機在2MPa外加壓力下,輸出電壓和電流情況;

(f)基于形電極(IDE)的MAPbI3壓電發電機運行機制的示意圖描述。

圖10:基于OMHP-PDMS聚合物復合材料的壓電發電機。

(a,b) 制得的FAPbBr3-PDMS復合物基壓電發電機的示意圖和SEM橫截面圖像;

(c)FAPbBr3-PDMS復合物基壓電發電機的輸出電壓;

(d) MAPbI3顆粒經15min研磨后的FE-SEM圖像;

(e,f) MAPbI3-PDMS復合物發電機的示意圖和實物照片。

圖11:基于OMHP-PVDF聚合物復合材料的壓電發電機。

(a)FAPbBr3-PVDF復合物壓電發電機的制備步驟;

(b)制得的壓電發電機的SEM橫截面圖像;

(c)放大的橫截面圖像表示FAPbBr3納米顆粒在PVDF聚合物中的分布;

(d)FAPbBr3-PVDF復合物薄膜中電活性相形成示意圖;

(e)基于FAPbBr3-PVDF復合物薄膜的壓電發電機的制備過程圖;

(f)基于OMHP-PVDF復合物的壓電發電機的輸出電壓測量;

(g)FAPbBr3-PVDF復合電紡纖維的FE-SEM圖像;

(h)基于聲學納米發電機的FAPbBr3-PVDF復合材料的輸出電壓;

(i)使用具有FAPbBr3-PVDF復合物聲學納米發電機的帶電電容器為手表供能。

圖12:高性能、柔性、穩定的MAPbI3-PVDF復合物基壓電能量收集器。

(a)MAPbI3-PVDF復合物薄膜的SEM-EDS表面分布圖;

(b)MAPbI3-PVDF復合物壓電發電機的工作機制示意圖;

(c)MAPbI3-PVDF復合物壓電發電機的示意圖;

(d)MAPbI3-PVDF復合物壓電發電機的輸出電壓和電流密度;

(e)整流電路中在50N外加壓力下LED瞬時發光的圖像;

(f)手指敲擊過程中LED瞬時發光的圖像。

【小結】

此篇綜述總結了基于OMHPs的柔性壓電發電機的近期研究進展,系統闡釋了OMHPs的機體結構、介電、鐵電和壓電性能。OMHPs的功率轉換效率高達22%以上,是光伏應用領域的一個突破,而且其介電和壓電性能可媲美無機壓電材料,有望在壓電和鐵電領域作出新的突破。OMHPs易于低溫制備、在分子層次結合了有機、無機物質,具有獨特的結構,這些優勢性能可以彌補傳統無機鈣鈦礦壓電材料合成復雜、需要高溫制備且幾乎無柔性的不足,可應用于柔性可穿戴設備和可植入傳感器中。盡管目前OMHPs在壓電發電機中的應用還很有限,但作者預期不久的將來,高效率柔性納米發電機的重要進展和研究成果,將是可持續能源收集的出色平臺。就基于OMHPs的壓電發電機發展和可預期的應用,作者還提出了幾點基本實驗技術和其余研究方向的建議。

文獻鏈接:A Comprehensive Review of Flexible Piezoelectric Generators Based on Organic-Inorganic Metal Halide Perovskites(Nano Energy,2018,DOI:10.1016/j.nanoen.2018.12.038)

 

本文由材料人計算材料組Isobel供稿,材料牛整理編輯。

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