兩種材料之間存在動(dòng)態(tài)接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,基于該種動(dòng)態(tài)接觸的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)可以收集環(huán)境中的機(jī)械能。TENG器件已經(jīng)被廣泛研究并被用于為無(wú)線探測(cè)器、可穿戴電子電路以及充電儲(chǔ)能器件提供電能。然而,傳統(tǒng)TENG器件大多輸出交流電流,且電流較小,需要額外整流設(shè)備才能轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。這使得具有高電流輸出特性的直流摩擦納米發(fā)電機(jī)(DC-TENG)得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注,F(xiàn)階段,DC-TENG器件多基于半導(dǎo)體材料,為了進(jìn)一步提高該種器件的輸出特性,對(duì)半導(dǎo)體材料界面進(jìn)行修飾是一種有效的手段。此外,通過(guò)合適的修飾層選擇及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有望實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和太陽(yáng)能的同時(shí)收集。
圖1 (a) 基于Al/n-Si結(jié)構(gòu)的新型TENG器件結(jié)構(gòu)示意圖;(b)器件在靜態(tài)接觸和動(dòng)態(tài)摩擦狀態(tài)下的I-V輸出曲線;(c)器件平衡態(tài)下背面能帶結(jié)構(gòu)示意圖;(d)n-Si/Ag、n-Si/PEDOT:PSS和n-Si/MoO3-x平面異質(zhì)結(jié)的表面電勢(shì)分布; (e)、(f)、(g)分別為純硅片、覆蓋導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS薄膜的硅片和覆蓋MoO3-x硅片的少子壽命
本文開(kāi)發(fā)了一種基于Al/n-Si動(dòng)態(tài)接觸的新型TENG器件,該器件增加了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)作為界面修飾層。透明導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS不僅有利于光線有效地進(jìn)入器件,產(chǎn)生更多載流子,同時(shí)起到了鈍化硅片的目的,增加了載流子的提取。通過(guò)設(shè)計(jì)額外的金屬柵線結(jié)構(gòu),該種TENG器件可以同時(shí)收集機(jī)械能和太陽(yáng)能。在白光照射(輻照強(qiáng)度約為20 mW cm-2)下,器件電壓輸出超過(guò)1000 mV,電流輸出超過(guò)6.0×103 A m-2,性能得到了極大的改善。這項(xiàng)研究不僅制備出了可同時(shí)收集機(jī)械能和太陽(yáng)能的高性能器件,也為有效分離光生載流子提出了新路徑。
圖2 (a)可同時(shí)收集機(jī)械能和太陽(yáng)能的TENG器件工作狀態(tài)示意圖;(b)器件工作時(shí)的能級(jí)結(jié)構(gòu)及載流子運(yùn)動(dòng)路徑;(c)在暗態(tài)和光照下器件的輸出電壓;(d)在暗態(tài)和光照下器件的輸出電流;(e)器件在不同外部負(fù)載下的輸出電壓和電流;(f)器件在不同外部負(fù)載下的輸出功率
以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202100578)上。論文的通訊作者為孫寶全教授,王玉生博士為該論文的第一作者兼共同通訊作者。
論文信息:
Simultaneously Harvesting Friction and Solar Energy via Organic/Silicon Heterojunction with High Direct‐Current Generation
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100578
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