中科院张弛研究员团队EES & AM丨摩擦伏特效应：刷新摩擦发电性能新高！

一、【导读】

人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。化石能源的大量利用必然导致分布在环境中无序、低品质的高熵能量的增加，进而带来全球气候变暖。近年来，我国制定了“碳达峰、碳中和”的重大战略决策，将发展新能源技术、节能降碳列为重要举措。据调查，人类一次性能源约有1/3通过摩擦所消耗，如果能实现对摩擦能量的高效回收和利用，则可大幅提高能源的使用效率，为实现“双碳”目标做出贡献。

2012年，摩擦纳米发电机（TENG）的发明为机械能采集提供了新的思路，可将各种环境机械能通过摩擦转换为电能。TENG主要采用聚合物等绝缘体材料，基于先接触起电、后静电感应的工作原理，产生交流电，输出功率密度通常较低，这极大限制了摩擦发电的应用。

近年来，国内外学者开始采用半导体材料研究TENG，均观察到了直流电的输出，具有与传统TENG 明显不同的实验现象和发电特性。2019年底，王中林院士在一篇综述展望中，预测并首次提出了摩擦伏特效应。2020年初，张弛研究员团队通过实验验证了这种现象，提出并首次定义了摩擦伏特效应：半导体界面在摩擦作用下产生直流电的现象。但目前，基于摩擦伏特效应的半导体直流TENG的发电机理仍然不够清晰，存在很多不同的解释，且半导体TENG的输出电压和功率仍普遍较低，这极大限制了其应用前景。

二、【成果掠影】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队分别利用氮化镓、硅、碲化铋等不同类型的半导体材料构成直流发电机（SDC-TENGs），在厘米级尺度实现了高电压和高功率密度的直流发电。开路电压最高可达130 V，是之前最高SDC-TENG的20倍；平均功率密度最高为9.23W·m^-2，是之前厘米级SDC-TENG的约200倍，刷新了半导体直流发电输出电压和功率密度的两项性能记录！该SDC-TENG的频率归一化平均功率密度为1.48W·m^-2·Hz^-1，这个性能指标也超过了之前所有报道过的TENG，刷新了摩擦发电性能新高！

该工作还在不同偏置电压下开展了界面摩擦发电的机理与特性研究，结果与分析表明，直流电的方向并不取决于半导体界面内建电场的方向，因此必然存在主导电流方向的界面电场，从而进一步揭示了摩擦伏特效应的发电机理：当半导体界面两种材料摩擦时，连续的接触起电形成界面电场，主导直流电输出的方向；摩擦机械能激发半导体中的电子空穴对，在界面电场作用下定向分离，从而在回路中形成持续电流。该机理解释提出和揭示了接触起电形成的界面电场对载流子输运的主导作用，有助于进一步理解摩擦伏特效应的物理机制。

相关研究成果分别以“Achieving an ultrahigh direct-current voltage of 130 V by semiconductor heterojunction power generation based on the tribovoltaic effect”为题发表于Energy & Environmental Science上（第一作者为博士生王昭政）；以“Semiconductor Contact-electrification Dominated Tribovoltaic Effect for Ultrahigh Power Generation”为题发表于Advanced Materials，并被选为Editor's Choice论文（第一作者为张之博士）。

三、【 核心创新点】

√ SDC-TENG开路电压最高可达130 V，平均功率密度最高为23 W·m^-2，刷新半导体直流发电输出电压和功率密度两项性能记录！频率归一化平均功率密度为1.48W·m^-2·Hz^-1，刷新摩擦发电性能新高！

√ 提出了接触起电形成的界面电场对载流子输运起主导作用的新机制，进一步揭示了摩擦伏特效应的发电机理，为进一步理解摩擦伏特效应提供了有力的实验依据。

四、【数据概览】

图1 基于摩擦伏特效应的SDC-TENG结构及性能对比

（a）不同半导体材料组成的SDC-TENG结构图；（b）与已报道SDC-TENG的开路电压对比；（c）与已报道厘米级SDC-TENG的峰值功率密度对比；（d）与已报道所有TENG的频率归一化平均功率密度对比。

图2 接触起电诱导的界面电场主导摩擦伏特效应载流子输运的机理

（a）未接触状态时两种半导体电子云势阱模型；（b）摩擦状态时两种半导体电子跃迁势阱模型；（c）半导体异质结在未接触状态时的能带图；（d）半导体异质结在摩擦状态时的载流子输运能带图。

图3 SDC-TENG与传统TENG的性能对比

（a）SDC-TENG与传统TENG电压波形对比；（b）SDC-TENG与传统TENG电流波形对比；（c）相同工作面积（1 cm²）、滑动距离（1 cm）和摩擦速度（20 cm·s^-1）下SDC-TENG最大平均功率密度为传统TENG的40倍；（d）相同条件下SDC-TENG与传统TENG电容充电特性对比。

图4 厘米级SDC-TENG在低频工作下为多种电子器件供电

（a）SDC-TENG驱动点亮LED阵列；（b）SDC-TENG驱动电子表；（c）SDC-TENG驱动电子计算器；（d）SDC-TENG驱动温湿度计；（e）SDC-TENG驱动智能手环；（f）SDC-TENG高压驱动点亮商业灯泡，开启电压为80V；（g）SDC-TENG驱动压电片，工作电压为90V。

图5 SDC-TENG特性总结与摩擦能量回收应用展望

五、【成果启示】

综上所述，本工作基于多种半导体材料的界面摩擦，在厘米级尺度实现了高电压和高功率密度的直流发电，刷新了摩擦伏特半导体TENG输出电压和功率密度的性能记录，刷新了摩擦发电频率归一化平均功率密度的性能新高，并提出了接触起电形成的界面电场对载流子输运起主导作用的新机制。该项工作有望有助于进一步理解摩擦伏特效应的物理机制，研制出高功率摩擦发电器件，推动摩擦电子学新兴领域的发展；同时，也有望发展出摩擦能量高效回收与利用的新能源技术，推动工业物联网的自驱动化和智能化。

【文献链接】

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。