基于氧化锌纳米线阵列的光电和热电复合型纳米发电机及自驱动传感器研究

Developing new energy materials and devices is of crucial importance to solve the current energy crisis in the world.The investigation of hybrid nanogenerators has attracted increasing attention in the past decade. Some semiconducting materials may have multiple physical properties, which can be utilzied to fabricate hybrid nanogenerators for harvesting multiple energies.As one of important semiconducting materials,ZnO nanomaterials have both the good photoelectric and thermoelectric properties. Here, we plan to use the hydrothermal method to grow the ZnO nanowire array,where the diameter and length of the ZnO nanowires can be controlled by modulating the growth conditions of the ZnO nanowire array.By fabricating the photoelectric and thermoelectric nanogenerators, we will investigate the output performance of these devices in detail.By constructing the hybrid energy cell, we will investigate the effect of the coupled photoelectric and thermoelectric properties on the output performance of the device, and explore the new methods to enhance the ouptut power of the hybrid nanogenerators. By constructing the self-powered photoelectric and thermoelectric nanogenerator array, we will investigate the localized light and heat response characteristics of the self-powered sensor system and achieve the detection of the applied light and heat signals.This study can help us understand the coupling mechanism of the photoelectric and thermoelectric effects in the ZnO nanowire array, and can also push the practical applications of ZnO nanowire array for energy devices and self-powered sensor systems.

发展新的能源材料和器件是至关重要的对于缓解当前的能源危机。有关复合型纳米发电机的研究已经成为一个研究热点，一些半导体材料可能具有多种物理特性，可以被用来制作相关的多种纳米发电机，同时获取多种能源，有着重要的应用前景。氧化锌纳米材料作为一种重要的半导体纳米材料，同时具有光电和热电物理性质。我们拟采用水热法生长氧化锌纳米线阵列，通过调节纳米线的生长条件，实现对氧化锌纳米线直径和长度的可控生长；然后构建基于氧化锌纳米线阵列的光电和热电纳米发电机，深入研究这两种器件的输出性能；构建光电和热电复合型纳米发电机，研究光电和热电耦合效应对纳米发电机输出性能的影响，探索增强纳米发电机输出性能的新途径；构建基于光电和热电复合型纳米发电机的自驱动传感器阵列，实现对局部的光和热信号有效探测。本研究有助于深入理解光电和热电耦合机理，有助于推进氧化锌纳米线阵列在能源器件和自驱动传感器领域的实际应用。

新能源材料与新概念能源器件对于缓解当前的能源危机至关重要，作为一种绿色可持续能源供给方式，复合型纳米发电机能够同时获取多种形式的能源用于构建自驱动系统，有着重要的应用前景。本项目采用磁控溅射-水热合成法在基底上生长氧化锌纳米线阵列，研究反应参数对氧化锌纳米线阵列的影响规律，获得了尺寸均匀和长度一致的氧化锌纳米线阵列。基于氧化锌纳米线阵列构建热电/热释电纳米发电机，并建立氧化锌基P-N异质结的调制生长方法，制作异质结光电纳米发电机，详细研究了温度变化和光照对纳米发电机输出特性和性能参数的影响规律。研制了基于氧化锌纳米线阵列和钛酸钡陶瓷等材料的光电-热电复合型纳米发电机，并测试其在光照和温度变化同时作用下的输出特性以及光电-热电耦合作用下复合型纳米发电机的性能影响机制，通过光热协同作用调控载流子输运过程，实现了纳米发电机输出性能的提升，并且能够同时收集环境中的光能和热能。在此基础上，开发了基于光电-热电复合型纳米发电机的自驱动光热传感器阵列，实现了对光和热信号的有效探测和高分辨成像。此外，针对纳米发电机的电学特性，采用多孔氧化钨、锰酸锂纳米线等纳米材料设计开发与纳米发电机性能匹配的自充电液包锂电池、自充电固态锂电池、自充电超级电容器等发电-储能一体化器件。在本项目的资助下，我们在材料的可控制备、新型纳米发电机的结构设计与优化、光热复合纳米发电机与自驱动传感、发电-储能一体化等方面取得了系列研究成果，不仅对新型自驱动光热探测器的开发具有重要的指导意义，而且拓展了纳米发电机的应用范围及使用方式。