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線探測器、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。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。現(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(xiàng)研究不僅制備出了可同時(shí)收集機(jī)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(shí)收集機(jī)械能和太陽能的TENG器件工作狀態(tài)示意圖；(b)器件工作時(shí)的能級結(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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