中科院北京纳米能源所张弛研究员和王中林院士团队Adv. Energy Mater.: 半导体摩擦伏特效应与直流低阻抗摩擦纳米发电机

钢铁侠 4年前 (2020-02-09) 4508浏览

【引言】

随着物联网的发展，能源需求飞速增长，且变得更加分散化、小型化、环保和可持续化，这些为环境能源收集都带来了新的挑战。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新能源技术，具有重量轻，体积小，材料选择广泛，能量转换效率高的特点，可以满足信息化社会的需求。基于接触起电和静电感应效应耦合，传统TENG通常使用有机聚合物绝缘材料，摩擦产生的电荷会堆积在材料表面，并通过改变接触面积或分离距离，提供交变电流到外部电路，具有非常大的阻抗（MΩ-GΩ）。最近，基于半导体材料的摩擦纳米发电机逐步开展了研究，比如基于金属-绝缘体-半导体（MIS）的滑动结构，基于金属-半导体（MS）的移动肖特基二极管结构，基于PN结的摩擦能量单元，以及其他滑动异质结纳米发电机。这些新颖的发电机展现出了不同于传统TENG的特性和较大的发电潜力，但其发电机理与特性仍有待仔细研究。而且，与常规电子器件或传感器的阻抗（~100Ω）相比，这些发电机的内部阻抗仍然太大（~MΩ）。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士团队研究了基于金属-半导体界面的直流低阻抗摩擦纳米发电机（MSDC-TENG），并实验证明了王中林2019年提出的摩擦伏特效应（Tribovoltaic effect）(Materials Today, 30 (2019) 34-51. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.05.016)。摩擦伏特效应是金属/半导体与另一半导体在界面处摩擦产生直流电的现象。摩擦机械能可以激发金属侧动态电子和半导体侧电子空穴对，在内建电场作用下定向分离，从而在回路中形成持续电流。当金属滑块和硅片水平滑动过程中，MSDC-TENG提供的持续直流电具有10-20mV的开路电压、10-20μA的短路电流和0.55-5kΩ的低阻抗特性。该工作还系统研究了发电特性与工作参数的依赖关系，结果表明，更快的滑动速度、更大的载荷压力和较小的接触面积可以提高功率密度，而内阻主要取决于摩擦速度和半导体材料的电阻。通过量身定制金属-半导体材料和MSDC-TENG的结构，可以有效地控制发电机的电输出和内阻，优化功率输出。相关研究成果以“Tribovoltaic Effect on Metal-Semiconductor Interface for Direct-Current Low-Impedance Triboelectric Nanogenerators”为题发表在Advanced Energy Materials上，中科院北京纳米能源与系统研究所张之博士为论文第一作者。

【图文导读】

图1. MSDC-TENG的电输出特性

a) MSDC-TENG结构和外部电路的示意图；

b) 金属滑块与硅片的相对位置和滑块运动速度；

c) 开路电压的波形图；

d) 具有不同负载电阻（1500、620和0Ω）时的电流输出；

e) MSDC-TENG的阻抗匹配曲线。

图2. MSDC-TENG的工作原理和MS界面的摩擦伏特效应（Wm > Ws）

a) MSDC-TENG的工作状态图；

b) 处于平衡状态的MS结的能带图；

c) 滑动状态下MS结的能带图；

d) MSDC-TENG的开路电压和短路电流示意图（对应图a中状态）；

e) MSDC-TENG的等效电路图。

图3. MSDC-TENG输出特性对工作参数的依赖关系

a, c, d) 不同滑动速度、载荷压力和滑块面积下MSDC-TENG的平均短路电流和开路电压的变化趋势及其相应的误差线；

b, d, f) 不同滑动速度、载荷压力和滑块面积下MSDC-TENG的内阻和最大功率密度。

图4. 硅片电阻率和掺杂类型对MSDC-TENG的影响

a) 采用不同电阻率和类型硅片的MSDC-TENG的短路电流和开路电压的变化趋势及其相应的误差线；

b) 采用不同电阻率和类型硅片的MSDC-TENG的内部电阻；

c) MSDC-TENG（Wm < Ws）的工作状态图；

d) 处于平衡态MS结的能带图；

e) 处于滑动状态MS结的能带图。

【小结】

综上所述，这项工作将摩擦发电的材料从聚合物扩展到半导体，实现了直流低阻抗的摩擦纳米发电机，展示了一种全新的能量转换机制。这种将摩擦直接作用在半导体界面上产生的电能转换，将促进摩擦电与半导体的深度耦合，推动摩擦电子学新兴领域的发展。

文献链接：Tribovoltaic Effect on Metal–Semiconductor Interface for Direct‐Current Low‐Impedance Triboelectric Nanogenerators (Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.201903713)

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