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蘇州大學孫寶全教授課題組AEM:在可同時收集機械能和太陽能的直流摩擦發電機上取得新進展
2021-04-28  來源:高分子科技

  兩種材料之間存在動態接觸時會產生電荷轉移,基于該種動態接觸的摩擦納米發電機(TENG)可以收集環境中的機械能。TENG器件已經被廣泛研究并被用于為無線探測器、可穿戴電子電路以及充電儲能器件提供電能。然而,傳統TENG器件大多輸出交流電流,且電流較小,需要額外整流設備才能轉換成直流信號。這使得具有高電流輸出特性的直流摩擦納米發電機(DC-TENG)得到了科學界的廣泛關注。現階段,DC-TENG器件多基于半導體材料,為了進一步提高該種器件的輸出特性,對半導體材料界面進行修飾是一種有效的手段。此外,通過合適的修飾層選擇及器件結構設計,有望實現機械能和太陽能的同時收集。


圖1 (a) 基于Al/n-Si結構的新型TENG器件結構示意圖;(b)器件在靜態接觸和動態摩擦狀態下的I-V輸出曲線;(c)器件平衡態下背面能帶結構示意圖;(d)n-Si/Ag、n-Si/PEDOT:PSS和n-Si/MoO3-x平面異質結的表面電勢分布; (e)、(f)、(g)分別為純硅片、覆蓋導電高分子PEDOT:PSS薄膜的硅片和覆蓋MoO3-x硅片的少子壽命


  本文開發了一種基于Al/n-Si動態接觸的新型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。透明導電聚合物PEDOT:PSS不僅有利于光線有效地進入器件,產生更多載流子,同時起到了鈍化硅片的目的,增加了載流子的提取。通過設計額外的金屬柵線結構,該種TENG器件可以同時收集機械能和太陽能。在白光照射(輻照強度約為20 mW cm-2)下,器件電壓輸出超過1000 mV,電流輸出超過6.0×103 A m-2,性能得到了極大的改善。這項研究不僅制備出了可同時收集機械能和太陽能的高性能器件,也為有效分離光生載流子提出了新路徑。


圖2 (a)可同時收集機械能和太陽能的TENG器件工作狀態示意圖;(b)器件工作時的能級結構及載流子運動路徑;(c)在暗態和光照下器件的輸出電壓;(d)在暗態和光照下器件的輸出電流;(e)器件在不同外部負載下的輸出電壓和電流;(f)器件在不同外部負載下的輸出功率


  以上相關成果發表在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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(責任編輯:xu)
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