暨南大学唐群委团队Nano Energy：CsPbBr3钙钛矿摩擦纳米发电机

引言

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）在低频机械能采集领域表现除了巨大的应用前景。电介质因具有长期维持电荷的能力，常被应用于TENG的摩擦电材料。同时，材料的介电性质在很大程度上影响着TENG的输出性能，提高介电性可以有效提高表面摩擦电荷密度。常用的电介质多为绝缘体聚合物，其巨大的内部阻抗是造成TENG输出电流和功率密度较低的原因之一。与两种绝缘体组成的TENG相比，使用电荷迁移率更高的半导体作为摩擦电材料可以显著降低内阻并且增大输出电流密度。近年来，作为最有潜力的半导体材料之一，金属卤化物钙钛矿材料的光电特性以及电荷传输性能被广泛研究，并应用于光伏、发光等光电子、电子器件中。然而，钙钛矿独特的介电特性却鲜有研究和应用。理论上，由于中心不对称以及较低的价电子结合能，金属卤化物钙钛矿在静电场中易发生极化，存在电子、离子、偶极子和空间电荷四种极化方式，具有很好的介电特性，同时，可以通过组分和形貌调控调节其介电性质，这为实现TENG高性能的摩擦电输出提供了有利条件。

成果简介

近日，暨南大学唐群委教授研究团队首次基于全无机CsPbBr₃钙钛矿的独特介电特性和电学性质，制备了无机CsPbBr₃钙钛矿摩擦纳米发电机，通过Ba²⁺离子掺杂调控钙钛矿晶格的微观结构，实现钙钛矿薄膜能带结构、表面电势、电子亲和力、介电性等电学性质的调节，制备了高性能无机CsPbBr₃钙钛矿摩擦纳米发电机，实现高输出电压（220V）、短路电流（18.5μA）和最大功率密度（3.07W m^-2）。同时，该无机钙钛矿TENG的具有很好的稳定性能，连续工作1000余次循环无性能衰减，在空气环境中经过90天仍可以保持其原有的摩擦电输出性能。相关成果以题为“The Unique Dielectricity of Inorganic Perovskites toward High-Performance Triboelectric Nanogenerators”发表在最新一期的Nano Energy杂志上，第一作者为王宇迪博士后，通讯作者为杨希娅副教授和唐群委教授。

图文简介

图一 无机钙钛矿TENG的结构和工作机理。

(a) 基于接触-分离式钙钛矿TENG的结构示意图；

(b) FTO/CsPbBr₃薄膜的XRD图谱；

(c) CsPbBr₃钙钛矿薄膜的SEM图及晶体结构；

(d-g) 钙钛矿TENG在不同位移阶段时的电荷分布；

(h-j) 一个“接触-分离”循环内开路电压（V_oc）、短路电流（I_sc）和摩擦电荷输出。

图二 Ba²⁺离子掺杂CsPb_1-xBa_xBr₃钙钛矿薄膜的形貌表征

(a-g) 无机CsPb_1-xBa_xBr₃钙钛矿薄膜的表面SEM图；

(h) 钙钛矿晶粒尺寸分布图；

(i-p) 无机FTO/CsPb_1-xBa_xBr₃电极的截面SEM图。

图三 Ba²⁺离子掺杂对钙钛矿薄膜结构及性质的影响

(a-c) 无机CsPb_1-xBa_xBr₃钙钛矿薄膜的XRD图谱、XPS图谱及介电常数；

(d-f) CsPbBr₃、CsPb_0.99Ba_0.01Br₃和CsPb_0.91Ba_0.09Br₃薄膜的AFM图；

(g-n) 无机CsPb_1-xBa_xBr₃钙钛矿薄膜的KPFM图。

图四 钙钛矿TENG的摩擦电输出性能

(a, b) 不同Ba²⁺含量条件下，无机钙钛矿TENG的V_oc输出性能；

(c, d) 不同Ba²⁺含量条件下，无机钙钛矿TENG的I_sc输出性能；

(e, f) 不同Ba²⁺含量条件下，无机钙钛矿TENG的摩擦电荷输出性能。

图五 钙钛矿TENG的稳定性、输出功率以及充电性能

(a) 无机CsPb_0.91Ba_0.09Br₃钙钛矿TENG在周围空气氛围的稳定性测试；

(b, c) 无机CsPb_0.91Ba_0.09Br₃钙钛矿TENG在20~80oC及30~80%的相对湿度范围内的V_oc输出；

(d) 无机CsPb_0.91Ba_0.09Br₃钙钛矿TENG在不同负载条件下的电压、电流和功率密度输出；

(e, f) 无机钙钛矿TENG的电源电路管理系统及点亮80个LED灯；

(g) 无机CsPb_0.91Ba_0.09Br₃钙钛矿TENG的充电特性。

本文由暨南大学唐群委团队供稿。