半导体能量收集技术是缓解能源短缺问题极具前景的前沿研究领域。摩擦伏特纳米发电机（TVNG）是一种耦合了半导体物理效应和接触起电现象的新型能量收集技术，其凭借直接输出直流电、低阻抗和结构设计简单的独特优势脱颖而出，在构建新一代智能可穿戴系统以及构筑物联网系统等相关领域极具潜力。然而，这类新兴的TVNG仍存在功率转换效率和电压输出低的局限性，其主要受电荷载流子动力学的影响，包括载流子生成、传输、提取过程等。因此，如何调节电荷载流子动力学，特别是实现电荷产生、传输和提取行为之间的动态平衡，对高性能TVNG的设计及其多元化应用至关重要。
近日，浙江理工大学尹鑫和熊杰教授、香港理工大学夏书会和徐宾刚教授共同在Materials Today上发表题为“Advanced strategies for modulating charge carrier dynamics in semiconductor tribovoltaic nanogenerator” 的综述文章（DOI: 10.1016/j.mattod.2025.11.009）。该文系统阐述了近年来在调控电荷载流子动力学（主要涉及生成、传输以及提取过程）以最大化TVNG性能的创新策略方面的研究进展。首先，详细梳理了半导体器件中涉及的复杂动力学行为，包括电荷生成、传输、提取和复合等过程，系统探讨了这些载流子动力学行为与摩擦伏特效应机制、TVNG器件性能之间的构效关系。在此基础上，本综述进一步回顾了用于优化电荷载流子生成（如材料选择、表面化学修饰等）、传输过程（如掺杂、界面插层、电场调控等）和提取（如界面缺陷钝化、构筑背表面场等）的多样化策略，全面呈现了电荷载流子动力学调控在高性能、多功能TVNG设计研究上的最新突破和整体格局。此外，本篇综述还讨论并总结了关于现有挑战与潜在机遇的新见解，为先进TVNG的自下而上设计提供战略指导。浙江理工大学2024级服装设计与工程硕士研究生陈嘉豪为论文第一作者。该项目得到了浙江省自然科学基金、浙江理工大学人才启动资金等项目的支持。
图文导读
图1：调控TVNG中电荷载流子动力学的各种先进策略的总述。
图2：有关TVNG及其电荷动力学调控策略的出版物分析。
图3：TVNG的工作原理及其电荷动态过程。
图4：材料选择策略以调控电荷产生。包括a）单晶硅，b）二维材料，c）铁电材料，d）氧化物，e，f）有机半导体。
图5：表面化学处理策略以调控电荷生成。包括a，b）化学接枝，c）等离子体处理，d）表面活化，e）吸附、掺杂策略。
图6：多能源输入策略以调控电荷生成。包括a-c)同时收集机械能和太阳能，d-f）同时收集机械能和热能，g-h）同时收集机械能和湿度能量。
图7：掺杂策略以调控电荷传输。包括a-b）元素掺杂，c）二次掺杂，d）分子掺杂。
图8：中间层工程用于改善电荷传输。包括a-b）无机介电层，c）聚合物中间层，d）宽带隙半导体中间层。
图9：电场调控策略以改善电荷传输。包括a-b）界面电场，c）铁电场，d）热电场，e）原子电场。
图10：润滑策略以优化电荷传输。包括a）石墨烯基润滑剂，b）二硫化钼基润滑剂，c）MXene基润滑剂，d)OA-BP基润滑剂。
图11：调控电荷提取的先进策略。包括a）缺陷钝化，b）表面异质结构，c）背表面场策略。
