近期，河南大學程綱教授課題組的研究成果“A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli”在國際著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一區)上發表。
物聯網、大資料、人工智慧（AI）等的迅速發展，需要數以十億計的感測器獲取準確可靠的物理資訊。作為最重要的感測器之一，光探測器在自動控制，光度計量，鐳射穩瞄，紅外成像等領域起到關鍵作用。但是，目前的光探測器均依賴於外部電源供電，這增加了光感測系統的體積、限制了光探測器的移動性和獨立性。電池的使用不僅限制了光探測器的使用壽命，且帶來維護成本高昂和回收困難等問題。此外，電池回收不當還會導致環境汙染。因此，迫切需要發展不依賴外部電源供電的自驅動光感測系統。
第一個自驅動紫外光探測器於2014年被提出，之後，基於摩擦奈米發電機（TENG）和光探測器的光感測系統被廣泛報道。現有的自驅動光感測系統主要是基於TENG和光探測器之間的阻抗匹配效應工作的。即當光探測器的阻抗處於TENG的中等阻抗範圍時（約1 MΩ-1 GΩ），光強變化引起光探測器的阻抗變化，導致TENG輸出電壓或電流的顯著變化，從而利用TENG的輸出電壓或電流表徵光強。研究發現，TENG的輸出電壓和電流不僅受負載阻抗的影響，同時也受工作頻率的影響。負載恆定的情況下，TENG的工作頻率越高，其輸出電壓和輸出電流也越大。然而，在實際環境中，機械能是隨機的，無法保證TENG工作頻率的穩定。TENG的輸出電壓和電流同時受機械能頻率和負載阻抗兩個因素的影響，限制了自驅動光感測系統的實際應用。
一種基於Pulsed-TENG的可用於收集實際環境中隨機機械能的自驅動光探測器
與傳統TENG等效為一個電壓源和一個可變電容的串聯不同，脈衝式摩擦奈米發電機（Pulsed-TENG）等效為一個電壓源、一個固定電容和一個開關的串聯，其內部等效阻抗為零，因此可以保持輸出電壓的最大化，且不受負載阻抗和機械能頻率的影響。基於此，發展了一種基於Pulsed-TENG的自驅動光探測器，其中旋轉獨立層模式的Pulsed-TENG為自驅動光探測器的電源，阻變型光探測器為感測器，LEDs為報警器。該自驅動光探測器可以透過Pulsed-TENG的輸出電流，或者與定值電阻串聯後光探測器的分壓表徵光強。電流檢測模式中，電流與光強呈線性關係，當光強從0逐漸增加到1 W/m2，電流從1.6 μA逐漸增加到11.2 μA。電壓檢測模式中，當光強度從9 W/m2逐漸增加到403 W/m2時，光電探測器兩端的電壓從約60 V逐漸降低到1 V。最後，設計了紫外光到可見光轉換的電路，透過點亮LEDs的個數表徵光強。該自驅動光探測器不受工作頻率的影響，為在機械能隨機變化的實際工作環境中自驅動光探測器的穩定工作提供了可行的方法。
碩士研究生王庭豫和顧廣欽博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳、中國博士後科學基金會和河南大學的經費支援。
來源：河南大學
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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106518
