暨南大學唐群委團隊Nano Energy：CsPbBr3鈣鈦礦摩擦納米發電機

引言

摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）在低頻機械能采集領域表現除了巨大的應用前景。電介質因具有長期維持電荷的能力，常被應用于TENG的摩擦電材料。同時，材料的介電性質在很大程度上影響著TENG的輸出性能，提高介電性可以有效提高表面摩擦電荷密度。常用的電介質多為絕緣體聚合物，其巨大的內部阻抗是造成TENG輸出電流和功率密度較低的原因之一。與兩種絕緣體組成的TENG相比，使用電荷遷移率更高的半導體作為摩擦電材料可以顯著降低內阻并且增大輸出電流密度。近年來，作為最有潛力的半導體材料之一，金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光電特性以及電荷傳輸性能被廣泛研究，并應用于光伏、發光等光電子、電子器件中。然而，鈣鈦礦獨特的介電特性卻鮮有研究和應用。理論上，由于中心不對稱以及較低的價電子結合能，金屬鹵化物鈣鈦礦在靜電場中易發生極化，存在電子、離子、偶極子和空間電荷四種極化方式，具有很好的介電特性，同時，可以通過組分和形貌調控調節其介電性質，這為實現TENG高性能的摩擦電輸出提供了有利條件。

成果簡介

近日，暨南大學唐群委教授研究團隊首次基于全無機CsPbBr₃鈣鈦礦的獨特介電特性和電學性質，制備了無機CsPbBr₃鈣鈦礦摩擦納米發電機，通過Ba²⁺離子摻雜調控鈣鈦礦晶格的微觀結構，實現鈣鈦礦薄膜能帶結構、表面電勢、電子親和力、介電性等電學性質的調節，制備了高性能無機CsPbBr₃鈣鈦礦摩擦納米發電機，實現高輸出電壓（220V）、短路電流（18.5μA）和最大功率密度（3.07W m^-2）。同時，該無機鈣鈦礦TENG的具有很好的穩定性能，連續工作1000余次循環無性能衰減，在空氣環境中經過90天仍可以保持其原有的摩擦電輸出性能。相關成果以題為“The Unique Dielectricity of Inorganic Perovskites toward High-Performance Triboelectric Nanogenerators”發表在最新一期的Nano Energy雜志上，第一作者為王宇迪博士后，通訊作者為楊希婭副教授和唐群委教授。

圖文簡介

圖一 無機鈣鈦礦TENG的結構和工作機理。

(a) 基于接觸-分離式鈣鈦礦TENG的結構示意圖；

(b) FTO/CsPbBr₃薄膜的XRD圖譜；

(c) CsPbBr₃鈣鈦礦薄膜的SEM圖及晶體結構；

(d-g) 鈣鈦礦TENG在不同位移階段時的電荷分布；

(h-j) 一個“接觸-分離”循環內開路電壓（V_oc）、短路電流（I_sc）和摩擦電荷輸出。

圖二?Ba²⁺離子摻雜CsPb_1-xBa_xBr₃鈣鈦礦薄膜的形貌表征

(a-g) 無機CsPb_1-xBa_xBr₃鈣鈦礦薄膜的表面SEM圖；

(h) 鈣鈦礦晶粒尺寸分布圖；

(i-p) 無機FTO/CsPb_1-xBa_xBr₃電極的截面SEM圖。

圖三?Ba²⁺離子摻雜對鈣鈦礦薄膜結構及性質的影響

(a-c) 無機CsPb_1-xBa_xBr₃鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜、XPS圖譜及介電常數；

(d-f) CsPbBr₃、CsPb_0.99Ba_0.01Br₃和CsPb_0.91Ba_0.09Br₃薄膜的AFM圖；

(g-n) 無機CsPb_1-xBa_xBr₃鈣鈦礦薄膜的KPFM圖。

圖四?鈣鈦礦TENG的摩擦電輸出性能

(a, b) 不同Ba²⁺含量條件下，無機鈣鈦礦TENG的V_oc輸出性能；

(c, d) 不同Ba²⁺含量條件下，無機鈣鈦礦TENG的I_sc輸出性能；

(e, f) 不同Ba²⁺含量條件下，無機鈣鈦礦TENG的摩擦電荷輸出性能。

圖五?鈣鈦礦TENG的穩定性、輸出功率以及充電性能

(a) 無機CsPb_0.91Ba_0.09Br₃鈣鈦礦TENG在周圍空氣氛圍的穩定性測試；

(b, c) 無機CsPb_0.91Ba_0.09Br₃鈣鈦礦TENG在20~80oC及30~80%的相對濕度范圍內的V_oc輸出；

(d) 無機CsPb_0.91Ba_0.09Br₃鈣鈦礦TENG在不同負載條件下的電壓、電流和功率密度輸出；

(e, f) 無機鈣鈦礦TENG的電源電路管理系統及點亮80個LED燈；

(g) 無機CsPb_0.91Ba_0.09Br₃鈣鈦礦TENG的充電特性。

本文由暨南大學唐群委團隊供稿。