中科院張弛研究員團隊EES & AM丨摩擦伏特效應：刷新摩擦發電性能新高！

一、【導讀】

人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。化石能源的大量利用必然導致分布在環境中無序、低品質的高熵能量的增加，進而帶來全球氣候變暖。近年來，我國制定了“碳達峰、碳中和”的重大戰略決策，將發展新能源技術、節能降碳列為重要舉措。據調查，人類一次性能源約有1/3通過摩擦所消耗，如果能實現對摩擦能量的高效回收和利用，則可大幅提高能源的使用效率，為實現“雙碳”目標做出貢獻。

2012年，摩擦納米發電機（TENG）的發明為機械能采集提供了新的思路，可將各種環境機械能通過摩擦轉換為電能。TENG主要采用聚合物等絕緣體材料，基于先接觸起電、后靜電感應的工作原理，產生交流電，輸出功率密度通常較低，這極大限制了摩擦發電的應用。

近年來，國內外學者開始采用半導體材料研究TENG，均觀察到了直流電的輸出，具有與傳統TENG 明顯不同的實驗現象和發電特性。2019年底，王中林院士在一篇綜述展望中，預測并首次提出了摩擦伏特效應。2020年初，張弛研究員團隊通過實驗驗證了這種現象，提出并首次定義了摩擦伏特效應：半導體界面在摩擦作用下產生直流電的現象。但目前，基于摩擦伏特效應的半導體直流TENG的發電機理仍然不夠清晰，存在很多不同的解釋，且半導體TENG的輸出電壓和功率仍普遍較低，這極大限制了其應用前景。

二、【成果掠影】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員團隊分別利用氮化鎵、硅、碲化鉍等不同類型的半導體材料構成直流發電機（SDC-TENGs），在厘米級尺度實現了高電壓和高功率密度的直流發電。開路電壓最高可達130 V，是之前最高SDC-TENG的20倍；平均功率密度最高為9.23W·m^-2，是之前厘米級SDC-TENG的約200倍，刷新了半導體直流發電輸出電壓和功率密度的兩項性能記錄！該SDC-TENG的頻率歸一化平均功率密度為1.48W·m^-2·Hz^-1，這個性能指標也超過了之前所有報道過的TENG，刷新了摩擦發電性能新高！

該工作還在不同偏置電壓下開展了界面摩擦發電的機理與特性研究，結果與分析表明，直流電的方向并不取決于半導體界面內建電場的方向，因此必然存在主導電流方向的界面電場，從而進一步揭示了摩擦伏特效應的發電機理：當半導體界面兩種材料摩擦時，連續的接觸起電形成界面電場，主導直流電輸出的方向；摩擦機械能激發半導體中的電子空穴對，在界面電場作用下定向分離，從而在回路中形成持續電流。該機理解釋提出和揭示了接觸起電形成的界面電場對載流子輸運的主導作用，有助于進一步理解摩擦伏特效應的物理機制。

相關研究成果分別以“Achieving an ultrahigh direct-current voltage of 130 V by semiconductor heterojunction power generation based on the tribovoltaic effect”為題發表于Energy & Environmental Science上（第一作者為博士生王昭政）；以“Semiconductor Contact-electrification Dominated Tribovoltaic Effect for Ultrahigh Power Generation”為題發表于Advanced Materials，并被選為Editor's Choice論文（第一作者為張之博士）。

三、【 核心創新點】

√ SDC-TENG開路電壓最高可達130 V，平均功率密度最高為23 W·m^-2，刷新半導體直流發電輸出電壓和功率密度兩項性能記錄！頻率歸一化平均功率密度為1.48W·m^-2·Hz^-1，刷新摩擦發電性能新高！

√?提出了接觸起電形成的界面電場對載流子輸運起主導作用的新機制，進一步揭示了摩擦伏特效應的發電機理，為進一步理解摩擦伏特效應提供了有力的實驗依據。

四、【數據概覽】

圖1?基于摩擦伏特效應的SDC-TENG結構及性能對比

（a）不同半導體材料組成的SDC-TENG結構圖；（b）與已報道SDC-TENG的開路電壓對比；（c）與已報道厘米級SDC-TENG的峰值功率密度對比；（d）與已報道所有TENG的頻率歸一化平均功率密度對比。

圖2?接觸起電誘導的界面電場主導摩擦伏特效應載流子輸運的機理

（a）未接觸狀態時兩種半導體電子云勢阱模型；（b）摩擦狀態時兩種半導體電子躍遷勢阱模型；（c）半導體異質結在未接觸狀態時的能帶圖；（d）半導體異質結在摩擦狀態時的載流子輸運能帶圖。

圖3?SDC-TENG與傳統TENG的性能對比

（a）SDC-TENG與傳統TENG電壓波形對比；（b）SDC-TENG與傳統TENG電流波形對比；（c）相同工作面積（1?cm²）、滑動距離（1?cm）和摩擦速度（20 cm·s^-1）下SDC-TENG最大平均功率密度為傳統TENG的40倍；（d）相同條件下SDC-TENG與傳統TENG電容充電特性對比。

圖4 厘米級SDC-TENG在低頻工作下為多種電子器件供電

（a）SDC-TENG驅動點亮LED陣列；（b）SDC-TENG驅動電子表；（c）SDC-TENG驅動電子計算器；（d）SDC-TENG驅動溫濕度計；（e）SDC-TENG驅動智能手環；（f）SDC-TENG高壓驅動點亮商業燈泡，開啟電壓為80V；（g）SDC-TENG驅動壓電片，工作電壓為90V。

圖5?SDC-TENG特性總結與摩擦能量回收應用展望

五、【成果啟示】

綜上所述，本工作基于多種半導體材料的界面摩擦，在厘米級尺度實現了高電壓和高功率密度的直流發電，刷新了摩擦伏特半導體TENG輸出電壓和功率密度的性能記錄，刷新了摩擦發電頻率歸一化平均功率密度的性能新高，并提出了接觸起電形成的界面電場對載流子輸運起主導作用的新機制。該項工作有望有助于進一步理解摩擦伏特效應的物理機制，研制出高功率摩擦發電器件，推動摩擦電子學新興領域的發展；同時，也有望發展出摩擦能量高效回收與利用的新能源技術，推動工業物聯網的自驅動化和智能化。

【文獻鏈接】

Zhaozheng Wang#, Zhi Zhang#, Yunkang Chen#, Likun Gong, Sicheng Dong, Han Zhou, Yuan Lin, Yi Lv, Guoxu Liu, Chi Zhang*. Achieving an ultrahigh direct-current voltage of 130 V by semiconductor heterojunction power generation based on the tribovoltaic effect.?Energy & Environmental Science, 2022,?DOI:10.1039/D2EE00180B. (https://doi.org/10.1039/D2EE00180B)

Zhi Zhang#, Zhaozheng Wang#, Yunkang Chen#, Yuan Feng, Sicheng Dong, Han Zhou, Zhong Lin Wang*, Chi Zhang*. Semiconductor contact-electrification dominated tribovoltaic effect for ultrahigh power generation.?Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202200146. (https://doi.org/10.1002/adma.202200146)

本文由作者供稿。