揭秘：摩擦電光伏耦合效應的作用機制

　　近日，暨南大學信息科學技術學院唐群委教授團隊在全無機CsPbBr₃鈣鈦礦摩擦納米發電機領域取得重要進展，并在材料領域頂級刊物Advanced Functional Materials發表了題為“Dielectric hole collector towards boosting charge transfer of CsPbBr₃ hybrid nanogenerator by coupling triboelectric and photovoltaic effects”的研究論文。郭琪瑤博士后為第一作者，楊希婭副教授和唐群委教授為文章的共同通訊作者。

　　近年來，無機CsPbBr₃鈣鈦礦已被廣泛應用于光電子器件中，其獨特的介電性能也使其在摩擦納米發電機 (TENGs) 中嶄露頭角。在無機CsPbBr₃鈣鈦礦材料的光電特性與摩擦電特性的結合研究中，唐群委團隊通過改變摩擦納米發電機的器件結構首次闡明在光照條件下光生電荷助力摩擦電荷量大幅度提升的新現象 (Nano Energy 2020, 77, 105280)。結合前期工作基礎，唐群委團隊繼續深入探討將多壁碳納米管(MWCNTs) 嵌入傳統絕緣聚合物PDMS形成PDMS-MWCNTs (PC) 導電復合物，作為具有光生空穴提取特性的雙功能摩擦層。通過精細調控PC復合物的介電特性搭建高效光生空穴提取界面，實現高效載流子的分離和提取，從而助力摩擦電荷量大幅度提升，電流密度提升了近1000倍。通過對比暗態和光態不同工作條件，闡明了摩擦電-光伏耦合效應的作用機制，為無機鈣鈦礦基混合環境能量收集裝置的設計與研究提供了理論基礎。

　　圖1 (a) FTO襯底上CsPbBr₃薄膜的XRD譜圖。(b) CsPbBr₃膜和PC膜的俯視FESEM圖像。(c) PDMS和PC薄膜的ATR-FTIR光譜。(d) TENG器件原理圖。(e) COMSOL Multiphysics軟件模擬電位分布分析。

　　圖2 (a) I-V曲線和 (b) PC膜的電導率隨MWCNTs用量的變化。(c) 滲濾閥值分析。(d)-(f) PC-1、PC-8和PC-16薄膜及其等效電路模型的電阻抗分析。(g) PC膜表面電勢分析。(h) 搭載CsPbBr3/PDMS和CsPbBr3/PC-12的TENGs在暗態下摩擦帶電示意圖。

　　圖3 (a)-(f) PC-0.5、PC-8和PC-16 TENG器件在黑暗和光照條件下的VOC以及JSC信號變化。(g) 暗態-光態電信號變化率。(h) CsPbBr₃薄膜在 (i) 初始時、(ii) 摩擦時、(iii) 光照時以及 (iv) 光照狀態后的表面電勢變化。(i) 暗態和光態下混合式TENG的定額功率密度輸出。其中虛線所連接的點代表搭載了PC-12及PC-16復合薄膜的鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 

　　圖4 (a)-(b) 基于PC-12混合式TENG的JSC和VOC信號在暗態和光態下的動態輸出行為研究。(c) PC-12混合式TENG的光強度相關的JSC輸出性能。(d) 在AM 1.5G照明下搭載導電碳漿、PC-12及PC-16復合薄膜PSCs的J-V特性評估。(e) PSCs器件電化學阻抗譜分析。(f) PSCs器件暗電流分析。(g) PC-12混合式TENG在55% RH環境下的長期光照穩定性分析。

　　本研究得到國家自然科學基金（61774139，62004083，U1802257）、廣東省自然科學基金（2019B151502061，2020A151501123）、博士后基金（2019M650231，2019M663379）和中央高校基本科研專項資金（21619311，21620348）的支持。