Advanced Energy Materials:“化腐朽为神奇”–杂化钙钛矿跨界在纳米能源领域的应用

人类在自然界生息繁衍、诗意的栖居,离不开巨大能源的加持。从“嫦娥”奔月,“蛟龙”入海,到丰富我们日常生活的手机、电脑、可穿戴设备等,再到物联网时代遍布各个角落的分布式传感器网络,需要规模庞大和满足分布式需求的能源供应,当下能满足这些需求的最具有潜力的研究方向包括杂化钙钛矿太阳能电池、纳米摩擦发电机等。

有机-无机杂化钙钛矿材料因其出色的光电转换能力近年来成为了能源领域的宠儿。经过短短十数载的发展,基于杂化钙钛矿材料的太阳能电池的认证能量转换效率已经达到了24.2%。但是目前杂化钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用仍面临着结构稳定性和寿命方面的挑战。大量的研究表明杂化钙钛矿材料内部的离子迁移现象是导致其结构不稳定和寿命短的关键因素,因此,研究者们通过组分优化、表面钝化、掺杂等方法改性杂化钙钛矿材料,希望借由此能抑制材料内部的离子迁移现象。来自浙江大学信息与电子工程学院的汪小知副教授、骆季奎教授及其研究团队反其道儿行之,通过外加电场增强杂化钙钛矿材料内部的离子迁移,改性材料表面的电学特性,然后应用在纳米摩擦发电上,达到增强其输出性能的目的,在领域内首次将对于杂化钙钛矿太阳能电池来说有害的离子迁移现象“变废为宝”,成功的应用于增强纳米摩擦发电机。

纳米摩擦发电是一种新兴的能量收集策略,其工作原理结合了表面摩擦起电和静电感应,可以实现机械能到电能的有效转换,高输出、高能量转换效率的纳米摩擦发电机对材料表面的电学性质要求非常高。本课题的改进方法是利用电场极化驱动杂化钙钛矿材料中的正负电荷向相反的方向迁移并在相应的表面积累,从而调制其表面的电学性质,同时通过设计适当的纳米摩擦发电机结构可以显著增强纳米摩擦发电的效率。实验结果表明增强聚四氟乙烯(PTFE)/钙钛矿和尼龙(PA6)/钙钛矿两种结构器件的性能的极化电场方向是相反的;离子迁移的能力随着外加电场的增强而增强,而早最优极化电场(4V/μm),离子迁移达到了上限;在适当的电场极化下,PTFE/钙钛矿结构和PA6/钙钛矿结构的器件的输出性能分别提升了40%和14%。这些结果为纳米摩擦发电机性能的设计和优化提供了新的思路和策略。

此外,文章还研究了纳米摩擦发电机对杂化钙钛矿材料的化学组分的依赖性。结果表明纳米摩擦发电的输出性能对有机组分的依赖比无机组分更强;在正向电场极化作用下,当有机/无机组分的比例为2时,PTFE/钙钛矿结构的器件的输出性能达到979V和24W/m2,比不极化和反向极化的器件增加了2.5倍和6.5倍;最终性能优化的纳米摩擦发电机被成功用于能量收集与存储和驱动常见电路。

这些结果从新的视角让人们对杂化钙钛矿材料内部电致离子迁移的本质和动态机理有了更加深入的理解,同时为纳米能源社区提供了纳米摩擦发电机性能设计与优化的参考。相关论文在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202002470)。论文的第一作者为浙江大学信息与电子工程学院博士生黄淑毅。