揭秘：摩擦电光伏耦合效应的作用机制

　　近日，暨南大学信息科学技术学院唐群委教授团队在全无机CsPbBr₃钙钛矿摩擦纳米发电机领域取得重要进展，并在材料领域顶级刊物Advanced Functional Materials发表了题为“Dielectric hole collector towards boosting charge transfer of CsPbBr₃ hybrid nanogenerator by coupling triboelectric and photovoltaic effects”的研究论文。郭琪瑶博士后为第一作者，杨希娅副教授和唐群委教授为文章的共同通讯作者。

　　近年来，无机CsPbBr₃钙钛矿已被广泛应用于光电子器件中，其独特的介电性能也使其在摩擦纳米发电机 (TENGs) 中崭露头角。在无机CsPbBr₃钙钛矿材料的光电特性与摩擦电特性的结合研究中，唐群委团队通过改变摩擦纳米发电机的器件结构首次阐明在光照条件下光生电荷助力摩擦电荷量大幅度提升的新现象 (Nano Energy 2020, 77, 105280)。结合前期工作基础，唐群委团队继续深入探讨将多壁碳纳米管(MWCNTs) 嵌入传统绝缘聚合物PDMS形成PDMS-MWCNTs (PC) 导电复合物，作为具有光生空穴提取特性的双功能摩擦层。通过精细调控PC复合物的介电特性搭建高效光生空穴提取界面，实现高效载流子的分离和提取，从而助力摩擦电荷量大幅度提升，电流密度提升了近1000倍。通过对比暗态和光态不同工作条件，阐明了摩擦电-光伏耦合效应的作用机制，为无机钙钛矿基混合环境能量收集装置的设计与研究提供了理论基础。

　　图1 (a) FTO衬底上CsPbBr₃薄膜的XRD谱图。(b) CsPbBr₃膜和PC膜的俯视FESEM图像。(c) PDMS和PC薄膜的ATR-FTIR光谱。(d) TENG器件原理图。(e) COMSOL Multiphysics软件模拟电位分布分析。

　　图2 (a) I-V曲线和 (b) PC膜的电导率随MWCNTs用量的变化。(c) 渗滤阀值分析。(d)-(f) PC-1、PC-8和PC-16薄膜及其等效电路模型的电阻抗分析。(g) PC膜表面电势分析。(h) 搭载CsPbBr3/PDMS和CsPbBr3/PC-12的TENGs在暗态下摩擦带电示意图。

　　图3 (a)-(f) PC-0.5、PC-8和PC-16 TENG器件在黑暗和光照条件下的VOC以及JSC信号变化。(g) 暗态-光态电信号变化率。(h) CsPbBr₃薄膜在 (i) 初始时、(ii) 摩擦时、(iii) 光照时以及 (iv) 光照状态后的表面电势变化。(i) 暗态和光态下混合式TENG的定额功率密度输出。其中虚线所连接的点代表搭载了PC-12及PC-16复合薄膜的钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 

　　图4 (a)-(b) 基于PC-12混合式TENG的JSC和VOC信号在暗态和光态下的动态输出行为研究。(c) PC-12混合式TENG的光强度相关的JSC输出性能。(d) 在AM 1.5G照明下搭载导电碳浆、PC-12及PC-16复合薄膜PSCs的J-V特性评估。(e) PSCs器件电化学阻抗谱分析。(f) PSCs器件暗电流分析。(g) PC-12混合式TENG在55% RH环境下的长期光照稳定性分析。

　　本研究得到国家自然科学基金（61774139，62004083，U1802257）、广东省自然科学基金（2019B151502061，2020A151501123）、博士后基金（2019M650231，2019M663379）和中央高校基本科研专项资金（21619311，21620348）的支持。