中科院北京納米能源所張弛研究員和王中林院士團隊Adv. Energy Mater.: 半導體摩擦伏特效應與直流低阻抗摩擦納米發電機

鋼鐵俠 4年前 (2020-02-09) 4175瀏覽

【引言】

隨著物聯網的發展，能源需求飛速增長，且變得更加分散化、小型化、環保和可持續化，這些為環境能源收集都帶來了新的挑戰。摩擦納米發電機（TENG）作為一種新能源技術，具有重量輕，體積小，材料選擇廣泛，能量轉換效率高的特點，可以滿足信息化社會的需求。基于接觸起電和靜電感應效應耦合，傳統TENG通常使用有機聚合物絕緣材料，摩擦產生的電荷會堆積在材料表面，并通過改變接觸面積或分離距離，提供交變電流到外部電路，具有非常大的阻抗（MΩ-GΩ）。最近，基于半導體材料的摩擦納米發電機逐步開展了研究，比如基于金屬-絕緣體-半導體（MIS）的滑動結構，基于金屬-半導體（MS）的移動肖特基二極管結構，基于PN結的摩擦能量單元，以及其他滑動異質結納米發電機。這些新穎的發電機展現出了不同于傳統TENG的特性和較大的發電潛力，但其發電機理與特性仍有待仔細研究。而且，與常規電子器件或傳感器的阻抗（~100Ω）相比，這些發電機的內部阻抗仍然太大（~MΩ）。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士團隊研究了基于金屬-半導體界面的直流低阻抗摩擦納米發電機（MSDC-TENG），并實驗證明了王中林2019年提出的摩擦伏特效應（Tribovoltaic effect）(Materials Today, 30 (2019) 34-51. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.05.016)。摩擦伏特效應是金屬/半導體與另一半導體在界面處摩擦產生直流電的現象。摩擦機械能可以激發金屬側動態電子和半導體側電子空穴對，在內建電場作用下定向分離，從而在回路中形成持續電流。當金屬滑塊和硅片水平滑動過程中，MSDC-TENG提供的持續直流電具有10-20mV的開路電壓、10-20μA的短路電流和0.55-5kΩ的低阻抗特性。該工作還系統研究了發電特性與工作參數的依賴關系，結果表明，更快的滑動速度、更大的載荷壓力和較小的接觸面積可以提高功率密度，而內阻主要取決于摩擦速度和半導體材料的電阻。通過量身定制金屬-半導體材料和MSDC-TENG的結構，可以有效地控制發電機的電輸出和內阻，優化功率輸出。相關研究成果以“Tribovoltaic Effect on Metal-Semiconductor Interface for Direct-Current Low-Impedance Triboelectric Nanogenerators”為題發表在Advanced Energy Materials上，中科院北京納米能源與系統研究所張之博士為論文第一作者。

【圖文導讀】

圖1. MSDC-TENG的電輸出特性

a) MSDC-TENG結構和外部電路的示意圖；

b) 金屬滑塊與硅片的相對位置和滑塊運動速度；

c) 開路電壓的波形圖；

d) 具有不同負載電阻（1500、620和0Ω）時的電流輸出；

e) MSDC-TENG的阻抗匹配曲線。

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

a) MSDC-TENG的工作狀態圖；

b) 處于平衡狀態的MS結的能帶圖；

c) 滑動狀態下MS結的能帶圖；

d) MSDC-TENG的開路電壓和短路電流示意圖（對應圖a中狀態）；

e) MSDC-TENG的等效電路圖。

圖3. MSDC-TENG輸出特性對工作參數的依賴關系

a, c, d) 不同滑動速度、載荷壓力和滑塊面積下MSDC-TENG的平均短路電流和開路電壓的變化趨勢及其相應的誤差線；

b, d, f) 不同滑動速度、載荷壓力和滑塊面積下MSDC-TENG的內阻和最大功率密度。

圖4. 硅片電阻率和摻雜類型對MSDC-TENG的影響

a) 采用不同電阻率和類型硅片的MSDC-TENG的短路電流和開路電壓的變化趨勢及其相應的誤差線；

b) 采用不同電阻率和類型硅片的MSDC-TENG的內部電阻；

c) MSDC-TENG（Wm < Ws）的工作狀態圖；

d) 處于平衡態MS結的能帶圖；

e) 處于滑動狀態MS結的能帶圖。

【小結】

綜上所述，這項工作將摩擦發電的材料從聚合物擴展到半導體，實現了直流低阻抗的摩擦納米發電機，展示了一種全新的能量轉換機制。這種將摩擦直接作用在半導體界面上產生的電能轉換，將促進摩擦電與半導體的深度耦合，推動摩擦電子學新興領域的發展。

文獻鏈接：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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