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【Nano Energy】摩擦伏特效应与光子伏特效应在液-固界面的耦合

摩擦起电是生活中常见的物理现象。自2012年王中林课题组发明摩擦纳米发电机以来,摩擦发电技术逐渐成为一种能源收集的主流技术,而摩擦起电现象也受到研究者的关注。传统的摩擦起电研究主要集中在绝缘体材料之间的摩擦起电现象。最近,研究者发现半导体之间相互摩擦也能够产生电荷转移,并且其产生的电流为直流电且具有很大的电流密度,这一点相比于传统有绝缘体组成的摩擦发电机具有一定的优势。因此,半导体之间的摩擦起电现象逐渐受到人们的关注。王中林院士指出,半导体之间的摩擦起电实际上与光伏效应类似;当p-型和n-型两种半导体材料相互接触摩擦时,界面处会发生化学键的断裂和生成,其中化学键的生成会释放能量,简称结合能量子(bindington),该能量子在半导体界面激发电子-空穴对。而电子-空穴对在内建电场的作用下发生定向分离和移动,产生直流电。由于其过程与光伏效应类似,王中林院士将半导体之间的摩擦起电命名为“摩擦伏特效应”。 

中国科学院北京纳米能源与系统研究所针对摩擦伏特效应现象做了一系列的工作。比如,从微观尺度证明了摩擦伏特效应的输出性能与半导体材料表面能态密度关系密切(Adv. Mater. 2020, 32, 1)。在宏观尺度研究了摩擦伏特效应器件的输出性能(Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1)。通过温度效应,验证摩擦伏特效应的电流产生机制(Mater. Today Phys. 2021, 16, 100295)。并发现液体-半导体之间也存在摩擦伏特效应(Nano Energy 2020, 76, 105070)。 

近期,北京纳米能源与系统研究所在液体-固体摩擦伏特效应方面又有新的发现。该所的研究团队报道了摩擦伏特效应与光生伏特效应在液体-固体界面的耦合,研究了二者的相互影响与作用。该工作报道了摩擦伏特效应和光生伏特效应的电压输出呈现非线性叠加。在光照下,发现摩擦伏特效应的电压有所减小。而摩擦伏特效应的电流有很大的增益。这揭示了水与半导体界面处的光激发电子-空穴对将有助于摩擦电流,并且增强的摩擦电流随着光强度的增加或光波长的减小而增加。从摩擦伏特效应器件的角度来讲,光照产生的载流子能够降低半导体界面处的内阻,从而使摩擦电流增加。而摩擦电压与光伏电压之和取决于内建电场的大小,由于光伏电压的产生,摩擦电压略有减小。该工作进一步证明了摩擦伏特效应机理的正确性,并且从一个新的角度证明了固体与液体之间相互摩擦存在电子交换。该工作发表在最新一期的Nano Energy上(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105810)。 

1.摩擦伏特效应与光子伏特效应耦合。

 

来源:中国科学院北京纳米能源与系统研究所

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