暨南大学唐群委Nano Energy：菱形钙钛矿阵列调控摩擦电荷产生与储存机制

【引言】

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）能高效收集风能、雨能、波浪能、人体动能等低频机械能。金属卤化物钙钛矿由于具有独特的介电特性和可调控的介电常数，被认为是一种优异的摩擦电材料。然而，钙钛矿表面摩擦电荷湮灭以及摩擦电荷与电极感生电荷的复合降低了摩擦电极表面电荷密度，这严重制约了钙钛矿基TENG性能的提升。因此，优化制备摩擦材料以调节摩擦电荷的产生与储存是改善TENG表面摩擦电荷密度的有效途径之一。

【成果简介】

近日，暨南大学唐群委教授研究团队通过制备Co(OH)(CO₃)_0.5/Pt/CsPbIBr₂菱形阵列结构作为TENG的摩擦层，显著抑制了钙钛矿表面摩擦电荷与电极表面感生电荷的复合并增加钙钛矿表面摩擦电荷密度，同时，Pt导电层能够有效增加摩擦电荷空间储存深度和电荷储存量。菱形复合纳米阵列结构大幅度提升了TENG的电流密度、开路电压以及电荷密度，分别达到了3.1 μA cm^-2、243 V和9.57 nC cm^-2。此外，钙钛矿TENG可以在室内环境下（25 ^oC, 30 %RH）下稳定运行超过1350循环没有明显性能衰减，而在干燥柜（25 ^oC，4%RH）中存放50天，TENG仍然保持稳定的输出性能。这一研究为深入理解半导体材料在TENG领域中的应用以及摩擦电荷产生、储存以及动态调控机制提供了新思路。相关成果以题为“Charge Boosting and Storage by Tailoring Rhombus All-inorganic Perovskite Nanoarrays for Robust Triboelectric Nanogenerators”发表在最新一期的Nano Energy杂志上，第一作者为杜健博士后，段加龙副教授、杨希娅副教授和唐群委教授为共同通讯作者。

【图文简介】

图一 菱形复合阵列相关表征与摩擦电极结构示意图

(a-b) Co(OH)(CO₃)_0.5阵列表面和侧面SEM图；

(c-d) CsPbIBr₂/Pt电极表面的SEM图；

(e-f) XRD和XPS图谱；

(g) 摩擦层结构示意图。

图二 Pt负载量以及钙钛矿前驱体溶液浓度对TENG输出性能的影响

(a-f) 不同Pt负载量对TENG输出(a, d)电压、(b, e)电流密度以及(c, f)电荷密度影响；

(g-l) 不同钙钛矿前驱体溶液浓度对TENG输出(g, j)电压、(h, k)电流密度以及(i, l)电荷密度影响。

图三 TENG的输出性能

(a-d) 初始CsPbIBr₂, (b) 1 M CsPbIBr₂/Pt-1, (c) 0.5 M CsPbIBr₂/Pt-1和(d) 0.25 M CsPbIBr₂/Pt-1 TENGs在不同外加负载时功率变化；

(e-f) 经过整流之后电流和电压输出；

(g) 0.25 M CsPbIBr₂/Pt-1在不同接触频率下输出电压；

(h) 0.25 M CsPbIBr2/Pt-1给不同电容器充电曲线；

(i) 整流电路图以及点亮61个商业LED灯瞬间。

图四 内建电场改善TENG输出性能的机理示意图

(a) 在CsPbIBr₂和Pt界面处费米能级变化示意图；

(b-c) 在接触摩擦前后内建电场增强TENG输出性能机理示意。

图五 TENG稳定性测试

(a-b) TENG在不同温度和湿度下输出电压变化；

(c-d) 器件经1350次循环后的开路电压变化。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552030402X