網狀支撐層有機-無機鈣鈦礦中的高應力驅動電壓

DOI: 10.1039/c9tc05468e

雜化有機金屬鹵化物鈣鈦礦（OMHPs）已被廣泛探索用于照片或光增強應用，這些應用受到時間，位置或光線的限制。與其他工作不同，本文采用甲基銨碘化鉛（MAPbI3）鈣鈦礦作為小面積（＜1 cm²）應力驅動的能量轉換器。簡而言之，MAPbI₃滲入具有三個組成部分的網狀復合支架中，其中包括聚偏二氟乙烯（PVDF），聚乳酸（PLA）和二氧化錫（SnO₂）電紡納米纖維。優化了系統的垂直超聲振動并將其應用于每個樣品，然后進行冰淬火。XRD、FTIR和拉曼研究表明，MAPbI₃的添加和垂直振動改變了復合物的形態特征，使其趨于理想的電活性形式，而無需進一步極化。當設備受到彎曲/壓縮釋放力時，在0.0625 cm²的面積上可獲得4.82 V的高輸出電壓和29.7 nA的電流。該冠軍設備還記錄了123.93 pC N^-1和118.85 pC N^-1（分別帶有和不帶有SnO₂納米粒子底層）的高壓電應變系數（d₃₃）。我們進一步闡明了在其他獨特底層上生長的MAPbI₃器件的機電輸出。這項工作推動了使用OMHPs進行全天整夜能量收集的動力，該力是通過無處不在的運動或人為運動施加的。

圖1 SnO₂膜的表征。（a）SnO₂納米粒子膜（底層）、靜電紡納米纖維膜和燒結膜的表面SEM圖像。SnO₂ 納米纖維膜的（b）XRD圖、（c）拉曼光譜和（d）EDS圖。

圖2 PPS-Co類網狀層：（a）PPS-Co的低倍和高倍SEM圖像。較高的放大倍數描繪了PVDF/PLA與聚合物/ SnO₂ 納米纖維之間的相界（參見箭頭）。（b）PPS-Co復合材料及其各個成分的XRD光譜。將區域18.0°-21.5°縮小以顯示獲得的主要PVDF相。（c）在真空環境中過夜存儲的PPS-Co的FTIR光譜以及相應的縮小區域。（d）垂直超聲振動對電活性PVDF晶相形成的影響的建議機理。

圖3 PPS-Co類網狀層以及滲透了有機-無機MAPbI₃鈣鈦礦后的進一步表征。（a）PPS-Co復合材料的拉曼光譜圖和（b）掃描電鏡能譜圖。所示的各個EDS映射對應于C、O、F和Sn（來自PVDF、PLLA和SnO₂ 納米纖維）。MAPbI₃鈣鈦礦滲入到（c）SnO₂ 納米纖維和（d）PSS-Co以及（e）沉積在PET/ITO（對照樣品）上，使用一步旋涂，然后在2.5 W下超聲1分鐘。鈣鈦礦的XRD還顯示了（e）中的內容。

圖4基于PPS-Co和純SnO₂納米纖維的鈣鈦礦壓電器件在10 s時間段內施加應力時輸出電壓和電流的變化。（a）在重復彎曲和釋放運動期間設備產生電輸出的數字圖像，（比例尺3厘米）。（b）示意圖，顯示了被測設備中堆疊的層次和性質（未按比例繪制）。（c）頻率為2 Hz時的輸出電壓和（d）輸出電流，以及PPS-Co/MAPbI₃和SnO₂ 納米纖維/MAPbI₃器件的相應放大視圖。（e）PPS-Co/MAPbI₃器件的輸出電壓和電流隨彎曲頻率的變化。（f）PPS-Co/MAPbI₃在2 Hz頻率下的電壓采集穩定性超過100 s。

圖5包含暴露于重復彎曲（壓縮）的不同底層的裝置的機電輸出比較：（a）輸出電壓和（b）電流。（c）由UVPT制備但不含MAPbI₃鈣鈦礦的PPS-Co和PVDF薄膜的輸出電壓。（d）顯示MAPbI₃和PVDF之間相互作用的示意圖。（e）測量不同墊層的薄板阻力值。（f）在不同襯底上生長的CH₃NH₃PbI₃的壓電應變常數（d₃₃）：SnO₂納米纖維、PPS-Co、SnO₂-NP/PPS-Co和SnO₂-NP/SnO₂納米纖維，通過直接法和壓力計測量（綠線圖）。

圖6不同方法改性后PVDF的各種有效壓電應變系數d₃₃的比較。