河南大學程綱團隊Nano Energy：一種基于脈沖式摩擦納米發電機的匹配實際環境中隨機機械能的自驅動光探測器

引言

物聯網、大數據、人工智能（AI）等的迅速發展，需要數以十億計的傳感器獲取準確可靠的物理信息。作為最重要的傳感器之一，光探測器在自動控制，光度計量，激光穩瞄，紅外成像等領域起到關鍵作用。但是，目前的光探測器均依賴于外部電源供電，這增加了光傳感系統的體積、限制了光探測器的移動性和獨立性。電池的使用不僅限制了光探測器的使用壽命，且帶來維護成本高昂和回收困難等問題。此外，電池回收不當還會導致環境污染。因此，迫切需要發展不依賴外部電源供電的自驅動光傳感系統。

第一個自驅動紫外光探測器于2014年被提出，之后，基于摩擦納米發電機（TENG）和光探測器的光傳感系統被廣泛報道。現有的自驅動光傳感系統主要是基于TENG和光探測器之間的阻抗匹配效應工作的，即當光探測器的阻抗處于TENG的中等阻抗范圍時（約1 MΩ-1 GΩ），光強變化引起光探測器的阻抗變化，導致TENG輸出電壓或電流的顯著變化，從而利用TENG的輸出電壓或電流表征光強。研究發現，TENG的輸出電壓和電流不僅受負載阻抗的影響，同時也受工作頻率的影響。負載恒定的情況下，TENG的工作頻率越高，其輸出電壓和輸出電流也越大。然而，在實際環境中，機械能是隨機的，無法保證TENG工作頻率的穩定。TENG的輸出電壓和電流同時受機械能頻率和負載阻抗兩個因素的影響，限制了自驅動光傳感系統的實際應用。

成果簡介

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組的研究成果“A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli”在國際著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一區)上發表。與傳統TENG等效為一個電壓源和一個可變電容的串聯不同，脈沖式摩擦納米發電機（Pulsed-TENG）等效為一個電壓源、一個固定電容和一個開關的串聯，其內部等效阻抗為零，因此可以保持輸出電壓的最大化，且不受負載阻抗和機械能頻率的影響。基于此，我們發展了一種基于Pulsed-TENG的自驅動光探測器，其中旋轉獨立摩擦層模式的Pulsed-TENG為自驅動光探測器的電源，阻變型光探測器為傳感器，LEDs為報警器。可以通過Pulsed-TENG的輸出電流，或者與定值電阻串聯后光探測器的分壓表征光強。電流檢測模式中，電流與光強呈線性關系，當光強從0逐漸增加到1 W/m²，電流從1.6 μA逐漸增加到11.2 μA。電壓檢測模式中，當光強度從9 W/m²逐漸增加到403 W/m²時，光電探測器兩端的電壓從約60 V逐漸降低到1 V。最后，設計了紫外光到可見光轉換的電路，通過點亮LEDs的個數表征光強。該自驅動光探測器不受工作頻率的影響，為在機械能隨機變化的實際工作環境中，自驅動光探測器的穩定工作提供了可行的方法。碩士研究生王庭豫和顧廣欽博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

圖1.?傳統旋轉獨立摩擦層模式TENG的工作原理和輸出性能。（a）傳統旋轉獨立摩擦層模式TENG的結構示意圖；（b）傳統旋轉獨立摩擦層模式TENG的工作機制示意圖；（c）不同轉速下傳統旋轉獨立摩擦層模式TENG的輸出電流隨負載變化的曲線。（d）不同轉速下傳統旋轉獨立摩擦層模式TENG的輸出電壓隨負載變化的曲線。

圖2.?單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG的工作原理和輸出性能。（a）單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG的結構示意圖。（b）單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG的工作原理示意圖。（c）單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG輸出電壓和電流隨負載的變化曲線。（d）不同轉速下，單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG的輸出電壓和電流曲線。

圖3.?光電探測器的性能表征以及光傳感系統電流檢測的輸出性能。（a）365 nm波長的不同光強度照射時光探測器的I-V曲線。（b）5 V偏壓下，電流與光強度間的關系。（c）5 V偏壓下，不同強度的光源開/關時的I-t曲線。（d）用于光傳感系統電流檢測的等效電路圖。（e）不同轉速時光強與流經光電探測器的電流的關系圖。（f）圖e數據的匯總圖。（g）在單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG不同轉速下，系統輸出電流與光強關系的散點分布圖以及線性擬合線。

圖4.?光傳感系統電壓檢測的輸出性能。（a）用于光傳感系統電壓檢測的等效電路圖。（b）不同轉速時光強與光電探測器兩端的電壓的關系圖。（c）圖b數據的匯總圖。（d）在單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG不同轉速下，光電探測器兩端的電壓與光強的理論曲線和實際試驗電壓均值與光強關系的散點分布圖。

圖5.?基于單向電流旋轉獨立摩擦層模式Pulsed-TENG的自驅動光傳感系統的演示。（a）自驅動光傳感系統性能的光學照片。（b）等效電路。（c）系統響應光強度的光學圖像。

文章鏈接：A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli

網址鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106518

本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳、中國博士后科學基金會和河南大學的經費支持。

作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省中原千人科技創新領軍人才，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起至今，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文60余篇。主持國家自然科學基金4項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn