河南大学程纲团队Nano Energy：一种基于脉冲式摩擦纳米发电机的匹配实际环境中随机机械能的自驱动光探测器

引言

物联网、大数据、人工智能（AI）等的迅速发展，需要数以十亿计的传感器获取准确可靠的物理信息。作为最重要的传感器之一，光探测器在自动控制，光度计量，激光稳瞄，红外成像等领域起到关键作用。但是，目前的光探测器均依赖于外部电源供电，这增加了光传感系统的体积、限制了光探测器的移动性和独立性。电池的使用不仅限制了光探测器的使用寿命，且带来维护成本高昂和回收困难等问题。此外，电池回收不当还会导致环境污染。因此，迫切需要发展不依赖外部电源供电的自驱动光传感系统。

第一个自驱动紫外光探测器于2014年被提出，之后，基于摩擦纳米发电机（TENG）和光探测器的光传感系统被广泛报道。现有的自驱动光传感系统主要是基于TENG和光探测器之间的阻抗匹配效应工作的，即当光探测器的阻抗处于TENG的中等阻抗范围时（约1 MΩ-1 GΩ），光强变化引起光探测器的阻抗变化，导致TENG输出电压或电流的显著变化，从而利用TENG的输出电压或电流表征光强。研究发现，TENG的输出电压和电流不仅受负载阻抗的影响，同时也受工作频率的影响。负载恒定的情况下，TENG的工作频率越高，其输出电压和输出电流也越大。然而，在实际环境中，机械能是随机的，无法保证TENG工作频率的稳定。TENG的输出电压和电流同时受机械能频率和负载阻抗两个因素的影响，限制了自驱动光传感系统的实际应用。

成果简介

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组的研究成果“A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli”在国际著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一区)上发表。与传统TENG等效为一个电压源和一个可变电容的串联不同，脉冲式摩擦纳米发电机（Pulsed-TENG）等效为一个电压源、一个固定电容和一个开关的串联，其内部等效阻抗为零，因此可以保持输出电压的最大化，且不受负载阻抗和机械能频率的影响。基于此，我们发展了一种基于Pulsed-TENG的自驱动光探测器，其中旋转独立摩擦层模式的Pulsed-TENG为自驱动光探测器的电源，阻变型光探测器为传感器，LEDs为报警器。可以通过Pulsed-TENG的输出电流，或者与定值电阻串联后光探测器的分压表征光强。电流检测模式中，电流与光强呈线性关系，当光强从0逐渐增加到1 W/m²，电流从1.6 μA逐渐增加到11.2 μA。电压检测模式中，当光强度从9 W/m²逐渐增加到403 W/m²时，光电探测器两端的电压从约60 V逐渐降低到1 V。最后，设计了紫外光到可见光转换的电路，通过点亮LEDs的个数表征光强。该自驱动光探测器不受工作频率的影响，为在机械能随机变化的实际工作环境中，自驱动光探测器的稳定工作提供了可行的方法。硕士研究生王庭豫和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

图1. 传统旋转独立摩擦层模式TENG的工作原理和输出性能。（a）传统旋转独立摩擦层模式TENG的结构示意图；（b）传统旋转独立摩擦层模式TENG的工作机制示意图；（c）不同转速下传统旋转独立摩擦层模式TENG的输出电流随负载变化的曲线。（d）不同转速下传统旋转独立摩擦层模式TENG的输出电压随负载变化的曲线。

图2. 单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG的工作原理和输出性能。（a）单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG的结构示意图。（b）单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG的工作原理示意图。（c）单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG输出电压和电流随负载的变化曲线。（d）不同转速下，单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG的输出电压和电流曲线。

图3. 光电探测器的性能表征以及光传感系统电流检测的输出性能。（a）365 nm波长的不同光强度照射时光探测器的I-V曲线。（b）5 V偏压下，电流与光强度间的关系。（c）5 V偏压下，不同强度的光源开/关时的I-t曲线。（d）用于光传感系统电流检测的等效电路图。（e）不同转速时光强与流经光电探测器的电流的关系图。（f）图e数据的汇总图。（g）在单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG不同转速下，系统输出电流与光强关系的散点分布图以及线性拟合线。

图4. 光传感系统电压检测的输出性能。（a）用于光传感系统电压检测的等效电路图。（b）不同转速时光强与光电探测器两端的电压的关系图。（c）图b数据的汇总图。（d）在单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG不同转速下，光电探测器两端的电压与光强的理论曲线和实际试验电压均值与光强关系的散点分布图。

图5. 基于单向电流旋转独立摩擦层模式Pulsed-TENG的自驱动光传感系统的演示。（a）自驱动光传感系统性能的光学照片。（b）等效电路。（c）系统响应光强度的光学图像。

文章链接：A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli

网址链接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106518

本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。

作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省中原千人科技创新领军人才，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起至今，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn