暨南大学唐群委Nano Energy：通过构建钙钛矿/金属肖特基结增强纳米发电机的机械能捕获效率

【引言】

自2012年王中林院士首次提出摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)的概念以来，因其器件结构简单、环保无污染、能量转换效率高，在收集机械能、风能、海洋能、人体动能领域表现出非常广阔的应用前景。而TENG的性能与材料的介电常数、表面形貌等参数息息相关。近期，研究人员发现，作为太阳能电池与发光二极管的明星材料——卤化钙钛矿化合物ABX₃(A = Cs⁺, MA⁺, FA⁺; B = Pb²⁺, Sn²⁺,etc; X = Cl^-, Br^-, I^-)，由于具有独特的介电特性是一种优异的摩擦电材料。然而，与常规的聚合物基TENG相比，由于钙钛矿表面摩擦电荷的快速湮灭以及感生电荷的复合消散，阻碍了该类TENG的最大能量输出。因此，如何增加摩擦电荷密度以及减少感生电荷的复合是提高TENG电能输出的关键。

【成果简介】

近日，暨南大学唐群委教授研究团队通过在导电基底FTO与钙钛矿CsPbBr₃薄膜界面以及钙钛矿薄膜内部之间引入贵金属，形成金属/钙钛矿肖特基结，大幅增加了TENG的电流密度以及开路电压，分别达到4.13 μA cm^-2以及240 V，瞬时负载输出功率达到3.31 W m^-2。通过调控贵金属的功函数、改变肖特基结的能级势垒高度，能够实现钙钛矿薄膜中电子向金属转移的最大化，增强界面电场。界面电场的产生不仅有助于增加了电极上的电荷密度，同时阻碍了感生电荷向钙钛矿薄膜内部扩散，对提高TENG的输出性能十分有利。另外，该TENG可以在常温空气环境中连续运行1050次性能基本保持不变，为半导体材料在TENG中的应用以及深入了解摩擦电荷的动力学行为提供了新的思路。相关成果以题为“Interfacial Electric Field Enhanced Charge Density for Robust Triboelectric Nanogenerators by Tailoring Metal/Perovskite Schottky Junction”发表在最新一期的Nano Energy杂志上，第一作者为王猛博士后，段加龙副研究员和唐群委教授为共同通讯作者。

【图文简介】

图一钙钛矿结构表征与TENG器件示意图以及相关性能参数

（a）基于接触-分离式钙钛矿TENG的结构示意图；

（b）TENG工作原理示意图；

（c）TENG的开路电压；

（d）TENG的短路电流与积分电荷；

（e）钙钛矿薄膜的表面形貌SEM图；

（f）钙钛矿薄膜的XRD图谱。

图二贵金属纳米颗粒对钙钛矿TENG的性能影响

（a）基于肖特基结TENG结构示意图;

（b）不同Au纳米粒子负载量SEM图;

（c-e）不同Au纳米粒子负载量对TENG摩擦电性能的影响；

（f-g）不同贵金属对TENG摩擦电性能的影响。

图三贵金属/钙钛矿肖特基结增加TENG性能的机理示意图及相关表征

（a）肖特基结对界面电荷分布影响示意图；

（b）金属/钙钛矿肖特基结的能带示意图；

（c）基于不同贵金属的钙钛矿薄膜的UPS图谱；

（d）含有不同贵金属的钙钛矿薄膜的费米能级；

（e）不同薄膜的介电常数。

图四TENG摩擦电输出性能表征

（a）基于Pt/CsPbBr₃肖特基结的TENG在不同负载条件下的电流、电压和功率输出；

（b）基于Pt/CsPbBr₃肖特基结的TENG对不同电容的充电性能测试；

（c-f）不同TENG的FOM测试图；

（g）TENG同时点亮30个LED灯示照片。

图五器件在不同温度和湿度下的开路电压以及常温空气中的稳定性测试。

（a）TENG在不同温度下的开路电压测试。

（b）TENG在不同湿度下的开路电压测试。

（c）TENG在常温空气中的稳定性测试。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303049