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