暨南大學唐群委Nano Energy：通過構建鈣鈦礦/金屬肖特基結增強納米發電機的機械能捕獲效率

鋼鐵俠 3年前 (2020-04-04) 5067瀏覽

【引言】

自2012年王中林院士首次提出摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerator, TENG)的概念以來，因其器件結構簡單、環保無污染、能量轉換效率高，在收集機械能、風能、海洋能、人體動能領域表現出非常廣闊的應用前景。而TENG的性能與材料的介電常數、表面形貌等參數息息相關。近期，研究人員發現，作為太陽能電池與發光二極管的明星材料——鹵化鈣鈦礦化合物ABX3 (A = Cs+, MA+, FA+; B = Pb2+, Sn2+, etc; X = Cl-, Br-, I-)，由于具有獨特的介電特性是一種優異的摩擦電材料。然而，與常規的聚合物基TENG相比，由于鈣鈦礦表面摩擦電荷的快速湮滅以及感生電荷的復合消散，阻礙了該類TENG的最大能量輸出。因此，如何增加摩擦電荷密度以及減少感生電荷的復合是提高TENG電能輸出的關鍵。

【成果簡介】

近日，暨南大學唐群委教授研究團隊通過在導電基底FTO與鈣鈦礦CsPbBr3薄膜界面以及鈣鈦礦薄膜內部之間引入貴金屬，形成金屬/鈣鈦礦肖特基結，大幅增加了TENG的電流密度以及開路電壓，分別達到4.13 μA cm-2以及240 V，瞬時負載輸出功率達到3.31 W m-2。通過調控貴金屬的功函數、改變肖特基結的能級勢壘高度，能夠實現鈣鈦礦薄膜中電子向金屬轉移的最大化，增強界面電場。界面電場的產生不僅有助于增加了電極上的電荷密度，同時阻礙了感生電荷向鈣鈦礦薄膜內部擴散，對提高TENG的輸出性能十分有利。另外，該TENG可以在常溫空氣環境中連續運行1050次性能基本保持不變，為半導體材料在TENG中的應用以及深入了解摩擦電荷的動力學行為提供了新的思路。相關成果以題為“Interfacial Electric Field Enhanced Charge Density for Robust Triboelectric Nanogenerators by Tailoring Metal/Perovskite Schottky Junction”發表在最新一期的Nano Energy雜志上，第一作者為王猛博士后，段加龍副研究員和唐群委教授為共同通訊作者。

【圖文簡介】

圖一 鈣鈦礦結構表征與TENG器件示意圖以及相關性能參數

（a）基于接觸-分離式鈣鈦礦TENG的結構示意圖；

（b）TENG工作原理示意圖；

（c）TENG的開路電壓；

（d）TENG的短路電流與積分電荷；

（e）鈣鈦礦薄膜的表面形貌SEM圖；

（f）鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。

圖二 貴金屬納米顆粒對鈣鈦礦TENG的性能影響

（a）基于肖特基結TENG結構示意圖;

（b）不同Au納米粒子負載量SEM圖;

（c-e）不同Au納米粒子負載量對TENG摩擦電性能的影響；

（f-g）不同貴金屬對TENG摩擦電性能的影響。

圖三 貴金屬/鈣鈦礦肖特基結增加TENG性能的機理示意圖及相關表征

（a）肖特基結對界面電荷分布影響示意圖；

（b）金屬/鈣鈦礦肖特基結的能帶示意圖；

（c）基于不同貴金屬的鈣鈦礦薄膜的UPS圖譜；

（d）含有不同貴金屬的鈣鈦礦薄膜的費米能級；

（e）不同薄膜的介電常數。

圖四 TENG摩擦電輸出性能表征

（a）基于Pt/CsPbBr3肖特基結的TENG在不同負載條件下的電流、電壓和功率輸出；

（b）基于Pt/CsPbBr3肖特基結的TENG對不同電容的充電性能測試；

（c-f）不同TENG的FOM測試圖；

（g）TENG同時點亮30個LED燈示照片。

圖五 器件在不同溫度和濕度下的開路電壓以及常溫空氣中的穩定性測試。

（a）TENG在不同溫度下的開路電壓測試。

（b）TENG在不同濕度下的開路電壓測試。

（c）TENG在常溫空氣中的穩定性測試。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303049

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