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Nano Energy综述:基于无机-无机金属卤化物钙钛矿的柔性压电发电机

开拓可中能源来驱动自供电、便携式设备不停是能源研究的一个挑衅。机械能是一种常见的可中能源,颠末过程压电效应可将环境中丰富的机械能转化为可用电能。压电发电机具有优越的电机转换机能,在近期的能源研究中遭到普遍存眷。无机-无机金属卤化物钙钛矿(organic-inorganic metal halide perovskites,简称OMHPs)具有较高的功率转换效力,还子用溶液法制备,有着较强的光接收能力、可调的带隙、较高的载流子浓度,在太阳能光伏领域中作为电子元器件应用很多。别的,OMHPs还具有很好的介电和压电机能,可到达的程度和无机压电资料的相近,在机械能量收集器中也有用武之地。

【效果简介】

近日,韩国忠南大学的Soon-Gil Yoon传授、Jihoon Choi副传授和韩国电子通讯研究院的Hye-Jin Kim研究员(共同通讯作者)合作,在Nano Energy上发表了题为“A comprehensive review of flexible piezoelectric generators based on organic-inorganic metal halide perovskites”的综述文章。该综述回想了近期基于无机-无机金属卤化物钙钛矿(OMHPs)的纳米压电发电机的最新相干进展,包含资料分类、布局性质和基于现有文献的介电、铁电和压电性质。别的,还提及了大批用于合成高品格钙钛矿薄膜和晶体的办法。在对压电发电机(piezoelectric generators, PEGs)的概述中,文章介绍了基于OMHPs和聚合物复合股料的各种柔性压电发电机,对柔性压电发电机制备、布局设计和决定输入的参数和应用作了详尽阐述。末了,就这一领域内重要的试验特性、概念和热门话题睁开了一些讨论及建议。

【图文导读】

图1:无机-无机金属卤化物钙钛矿的晶体布局

无机-无机金属卤化物钙钛矿的晶体布局

(a)通式为ABX3的钙钛矿的晶体布局;

(b)分歧的常用无机无机杂化钙钛矿化合物,经计算获得的八面体和容差因子。

图2:分离在界面/空间电荷极化、取向极化、离子极化和电子极化机制下,介电常数的实部和虚部与频的依赖相干。

介电常数的实部和虚部与频率的依赖相干

图3:MAPbI3介电常数的温度依赖相干

MAPbI3介电常数的温度依赖相干

(a)正交-四方相变;

(b)四方-立方相变;

(c)含分歧体积分数的Fe2+的MAPbI3,在100kHz下测量的四方-立方相变;

(d)含分歧体积分数的MAPbI3的MAPbI3-PVDF复合物薄膜,在1kHz下测得的介电常数和损耗角正切。

图4:压电力显微镜对OMHPs铁电机能的表征

压电力显微镜对OMHPs铁电机能的表征

(a)直流极化后,原子力显微镜地形图(上方一行),和对应的表示A·sin(φ)压电相应的压电力显微镜图像,表明β-MAPbI3薄膜中部分可逆铁电畴在分歧偏压过程后发生了转换;

(b)TMCM-MnCl3的铁电畴布局的压电力显微镜相位图像;

(c)TMCM-MnCl3的铁电畴布局的压电力显微镜幅值图像。

图5:压电力显微镜对OMHPs压电机能的表征

压电力显微镜对OMHPs压电机能的表征

(a)分歧环境条件下,挠度和VAC的相干;

(b)强度调制△I和穿过晶体、频率为1kHz的交换外加电场幅值Vac相干中获得的,MAPbI3单晶的压电系数;

(c)压电力显微镜测量样品的示用意,和在PZT,Au,ITO 和STO上的MAPbI3的d33与tMA的相干图;

(d)在光照下的MAPbI3的分子排列示用意和其光照增强的压电性。

(e)TMCM-MnCl3的压电系数d33随温度变更曲线;

(f)TMCM-MnCl3与无机分子压电资料的压电系数比较。

图6:钙钛矿多晶薄膜的典型合成办法示用意

钙钛矿多晶薄膜的典型合成办法示用意

(a)在DMF中溶解PbI2和MAI混合物的一步溶液制备法;

(b)PbI2和MAI顺序涂布构成MAPbI3;

(c)PbI2和MAI顺序涂布结合旋涂和浸涂制备法;

(d)根据分歧前驱体溶液浓度获得分歧晶粒大小的MAPbI3薄膜的SEM形貌图;

(e)应用不良溶剂经疾速沉积结晶技术制备MAPbI3薄膜和对应的SEM图像;

(f)应用PbCl2和MAI源停止双源真空蒸镀;

(g)两步辅助化学气相沉积法将MAI无机蒸汽沉积在PbI2薄膜上。

图7:低维OMHP纳米晶的典型合成过程的示用意描述

低维OMHP纳米晶的典型合成过程的示用意描述

(a)LARP过程和合成所得纳米晶的TEM图像;

(b)无水乳液合成过程和所得纳米晶粉末的照片;

(c)超声破碎法和所得OMHP纳米晶的TEM图像;

(d)颠末过程配位体辅助球磨法获得的10g MAPbBr3纳米晶。

图8:OMHP基压电发电机

OMHP基压电发电机。

(a)MAPbI3薄膜压电发电机的发电机制示用意;

(b,c)含Fe2+的MAPbI3压电发电机的示用意和什物照片;

(d)含Fe2+的MAPbI3压电发电机输入电压和电流密度随Fe2+浓度变更的比较;

(e)外加机械压力期间LED瞬时发光的图像;

(f)应用双地区CVD体系停止MAPbI3沉积的示用意;

(g)MAPbI3压敏和光敏双峰传感器的示用意;

(h)从电压-压力曲线可评估MAPbI3压力传感器的敏感度。

图9:MAPbI3钙钛矿薄膜构成的繁多布局TPS(热电、压电、太阳能)交融能量收集器

MAPbI3钙钛矿薄膜构成的繁多布局TPS(热电、压电、太阳能)交融能量收集器

(a)制备步骤;

(b)捕捉到的形电极(IDE)基MAPbI3压电发电机数字图像;

(c)捕捉到的形电极(IDE)基MAPbI3压电发电机光学图像;

(d)基于形电极(IDE)的MAPbI3压电发电机的示用意和SEM横截面图像;

(e)基于形电极(IDE)的MAPbI3压电发电机在2MPa外加压力下,输入电压和电流环境;

(f)基于形电极(IDE)的MAPbI3压电发电机运行机制的示用意描述。

图10:基于OMHP-PDMS聚合物复合股料的压电发电机

基于OMHP-PDMS聚合物复合股料的压电发电机

(a,b) 制得的FAPbBr3-PDMS复合物基压电发电机的示用意和SEM横截面图像;

(c)FAPbBr3-PDMS复合物基压电发电机的输入电压;

(d) MAPbI3颗粒经15min研磨后的FE-SEM图像;

(e,f) MAPbI3-PDMS复合物发电机的示用意和什物照片。

图11:基于OMHP-PVDF聚合物复合股料的压电发电机

基于OMHP-PVDF聚合物复合股料的压电发电机

(a)FAPbBr3-PVDF复合物压电发电机的制备步骤;

(b)制得的压电发电机的SEM横截面图像;

(c)放大的横截面图像表示FAPbBr3纳米颗粒在PVDF聚合物中纳⒉迹

(d)FAPbBr3-PVDF复合物薄膜中电活性相构成示用意;

(e)基于FAPbBr3-PVDF复合物薄膜的压电发电机的制备过程图;

(f)基于OMHP-PVDF复合物的压电发电机的输入电压测量;

(g)FAPbBr3-PVDF复合电纺纤维的FE-SEM图像;

(h)基于声学纳米发电机的FAPbBr3-PVDF复合股料的输入电压;

(i)应用具有FAPbBr3-PVDF复合物声学纳米发电机的带电电容器为手表供能。

图12:高机能、柔性、稳固的MAPbI3-PVDF复合物基压电能量收集器

高机能、柔性、稳固的MAPbI3-PVDF复合物基压电能量收集器

(a)MAPbI3-PVDF复合物薄膜的SEM-EDS外面散布图;

(b)MAPbI3-PVDF复合物压电发电机的工作机制示用意;

(c)MAPbI3-PVDF复合物压电发电机的示用意;

(d)MAPbI3-PVDF复合物压电发电机的输入电压和电流密度;

(e)整流电路中在50N外加压力下LED瞬时发光的图像;

(f)手指敲击过程中LED瞬时发光的图像。

【小结】

此篇综述总结了基于OMHPs的柔性压电发电机的近期研究进展,体系阐释了OMHPs的机体布局、介电、铁电和压电机能。OMHPs的功率转换效力高达22%以上,是光伏应用领域的一个打破,而且其介电和压电机能可媲美无机压电资料,有望在压电和铁电领域作出新的打破。OMHPs易于高温制备、在分子层次结合了无机、无机物质,具有独特的布局,这些优势机能可以或许弥补传统无机钙钛矿压电资料合成复杂、必要高温制备且几乎无柔性的不敷,可应用于柔性可穿戴设备和可植入传感器中。尽管目前OMHPs在压电发电机中的应用还很有限,但作者预期不久的未来,高效力柔性纳米发电机的重要进展和研究效果,将是可中能源收集的精平台。就基于OMHPs的压电发电机睁开和可预期的应用,作者还提出了几点基本试验技术和其余研究偏向的建议。

文献链接:A Comprehensive Review of Flexible Piezoelectric Generators Based on Organic-Inorganic Metal Halide Perovskites(Nano Energy,2018,DOI:10.1016/j.nanoen.2018.12.038)

本文由新能源前线 Isobel 编译整理,仅供学术交换。

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