CsF添加剂能够提高无孔传输层的碳基CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性

《Materials Science in Semiconductor Processing》：CsF additive enables the efficiency and stability promotion of carbon-based hole-transport-layer-free CsPbI 2Br perovskite solar cells

本研究通过溶剂铸造法制备了Chitosan/Baryum Titanate（CSBT）复合材料薄膜，优化了3 wt% BT片层的负载量，设计了一种新型振动复合摩擦电纳米发电机（VC-TENG）。实验表明，该器件在15g加速度下实现了400V开路电压、31μA短路电流和11W/m2的最大功率密度，性能较纯Chitosan薄膜提升5倍和3倍。成功应用于音乐振动能量收集（可点亮100串联LED）、便携设备充电，并构建了基于四组CSBT3-TENG传感器的人机交互游戏控制器。该成果为环保柔性摩擦电能量收集器件的实用化提供了新途径。

　　微机械振动是一种普遍存在于环境中的能量来源，具有为自供电设备提供能量的巨大潜力。三电极纳米发电机（TENG）能够将振动能量转化为电能，相较于传统的振动能量收集器，它具备独特的优势，这得益于其基于接触电荷产生的机制。基于天然聚合物的TENG在可持续自供电设备中扮演着重要角色，这些设备具有生物相容性、可生物降解性、高输出能力以及对环境影响小等优点。本文研究了通过溶液铸造法制备的柔性、环保型壳聚糖/氧化钡钛板（CSBT）复合材料，并将其作为正电荷材料与氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜作为负电荷材料结合，构建了振动复合TENG（VC-TENG）。铜带被用作两种电荷材料的电极。通过调整氧化钡钛板的浓度，研究团队发现优化后的3 wt%氧化钡钛板（CSBT3）VC-TENG在14 MΩ负载电阻和15g加速度下，能够产生400V的开路电压、31μA的短路电流和最大功率密度11 W/m2。此外，该设备还被用于从歌曲振动中收集能量，为100个LED供电，并为便携式电子设备充电。同时，VC-TENG还被应用于游戏控制单元中，作为人机交互的传感器。

本研究致力于探索一种基于界面相互作用的介电调制策略，以提升TENG的性能。该策略通过提高电荷捕获能力和表面电荷密度，从而实现高性能的TENG。使用无铅的氧化钡钛板（BT）和壳聚糖（CS）作为基质材料，结合其高介电常数和优异的电荷捕获能力，可以显著增强TENG的输出性能。在VC-TENG中，BT板的高长宽比和晶体取向有助于改善介电极化和界面电荷捕获。此外，CS来源于海洋甲壳类动物的壳，是一种可再生、可生物降解的有机生物材料，与BT板结合后，能够制备出具有广泛功能的新一代TENG设备。

在实验部分，研究团队使用了多种材料进行制备，包括从虾壳中提取的壳聚糖（75%脱乙酰化），以及从土耳其采购的氧化钡钛板。研究中还使用了冰醋酸和超纯三蒸馏水作为溶剂，通过超声波处理，将BT板均匀分散在CS溶液中，制备出不同BT含量的CSBT复合薄膜，分别命名为CSBT1、CSBT3、CSBT5和CSBT7。随后，将这些复合材料与FEP薄膜和铜带结合，构建了VC-TENG。为了评估材料的结构和形貌，研究团队采用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、背散射电子成像（BSE）以及能量色散X射线光谱（EDS）等技术。结果显示，随着BT含量的增加，BT板在CS基质中的分散性增强，且呈现出更均匀的分布状态。这表明，BT板的加入显著改善了复合材料的微观结构和电荷转移特性。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱分析，研究团队进一步探讨了CS和BT之间的分子相互作用。FTIR光谱显示，CS粉末在3200-3600 cm?1波段具有特征峰，对应于-OH和-NH?的伸缩振动。而在低能量区域，N-H变形、-CH振动和CO伸缩振动的峰分别出现在1540、1370和1010 cm?1处，确认了CS的糖类结构。相比之下，BT板的FTIR光谱显示了与其钙钛矿结构相关的特征吸收峰，如800和650 cm?1处的Ba-O和Ti-O伸缩振动峰。复合材料的FTIR光谱中，峰位发生了轻微偏移，峰强也有所变化，表明CS和BT之间存在一定的相互作用，可能是氢键或静电相互作用的结果。由于CS在酸性环境中带有正电荷，而BT由于氧空位和表面羟基化具有负电荷，因此CS中的-OH基团能够吸附在BT的表面，形成Ti-OH键，从而增强其压电性能。

拉曼光谱进一步揭示了CS和BT之间的化学相互作用。CS粉末的拉曼光谱显示出多个特征峰，分别对应于C-O-C伸缩振动（1030-1160 cm?1）、酰胺III（C-N伸缩和N-H弯曲振动）（1230-1320 cm?1）、酰胺I（C=O伸缩振动）（1650 cm?1）以及C-H伸缩振动（2800-3000 cm?1）。BT板的拉曼光谱则显示出与四面体结构相关的A1(TO)和E(TO)振动峰，分别位于305 cm?1和520、720 cm?1处。在复合材料的拉曼光谱中，出现了与BT板相关的A1(TO)峰（305 cm?1），以及与CS和BT相互作用相关的峰（830 cm?1），这表明BT板的加入增强了复合材料的电荷转移能力。

为了进一步优化TENG的性能，研究团队还评估了不同BT含量对复合材料介电性能的影响。通过测量不同频率下的介电常数、介电损耗和电导率，研究发现，随着BT含量的增加，介电常数显著提高。特别是在1 wt%的BT添加量下，CSBT3表现出最佳的介电性能，其介电常数在1 kHz时达到165，远高于纯CS的25。此外，CSBT3的介电损耗角正切（tan δ）在低频范围内表现出更理想的Debye行为，这表明其具有更高的极化效率和电荷捕获能力。这些特性使得CSBT3在接触分离模式下表现出更高的电输出性能，如开路电压和短路电流。

在电输出性能测试中，研究团队使用标准线性电机系统模拟振动环境，对不同BT含量的TENG进行了评估。结果表明，随着BT含量的增加，TENG的开路电压和短路电流均显著提升。其中，CSBT3在15g加速度下表现出最佳的输出性能，开路电压达到400V，短路电流为31μA，最大功率密度为11 W/m2。值得注意的是，当BT含量超过3 wt%时，输出性能开始下降，这可能是由于BT板在CS基质中的分布不均和聚集现象。因此，3 wt%的BT含量被认为是优化的条件。

此外，研究团队还探索了VC-TENG在真实音乐振动中的应用。通过将VC-TENG与扬声器连接，测试了不同音乐作品的振动能量收集效果。结果显示，VC-TENG能够从音乐振动中产生高达900V的电压输出，且不同节奏和低音频率的音乐会产生不同的电压变化。例如，节奏较快且低音较强的作品，如“Shiv Tandav Strotam”和“T-series- Bolo Har Har”，能够产生更强烈的电压振荡，而节奏较慢的作品如“Wiz Khalifa- See You Again”则产生较弱的电压波动。这些结果表明，VC-TENG能够有效检测音乐振动中的各种频率成分，包括基频和泛音，显示出其对复杂振动信号的高度敏感性。

在实际应用方面，研究团队将VC-TENG与低功耗电子设备连接，验证了其在能源收集和设备供电方面的可行性。通过使用全桥整流器将TENG的交流输出转换为直流，可以为电容器充电，从而为便携式电子设备供电。实验中，不同容量的电容器（2.2 μF、10 μF和47 μF）均能被VC-TENG充电，并在后续实验中成功驱动了计算器、pH计和100个LED灯。这些结果展示了VC-TENG在现实场景中的广泛应用潜力，尤其是在为低功耗设备供电方面。

此外，研究团队还开发了一种基于CSBT3-TENG的自供电传感器，用于游戏控制单元的人机交互应用。通过将四个CSBT3-TENG传感器集成到游戏控制器中，每个传感器对应一个方向键（右、左、上、下），当按下这些键时，传感器能够产生相应的电压信号，进而控制游戏中的导弹发射器方向。这一应用不仅展示了TENG在传感领域的潜力，也表明其在人机交互系统中的可行性。

本研究的结论表明，基于壳聚糖和氧化钡钛板的VC-TENG具有优异的性能，能够高效地收集振动能量并实现自供电功能。通过优化BT的含量，研究团队成功制备出具有高开路电压、短路电流和功率密度的TENG。此外，VC-TENG在音乐振动能量收集和人机交互传感方面的应用也显示出其在可持续能源和智能设备中的巨大潜力。这些发现不仅为TENG的进一步研究和开发提供了理论依据，也为未来的环境能量收集和可穿戴技术应用开辟了新的途径。