[发明专利]一种阵列交织型摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种阵列交织型摩擦纳米发电机及其制备方法，本发明一种将p型半导体CuO纳米阵列与n型半导体ZnO纳米阵列直接相互叠加组成的纳米摩擦发电装置及其制备方法。当使用CuO纳米阵列与平面ZnO薄膜组成纳米摩擦发电装置，装置的电流密度J_sc为0.23 uA/cm²；当使用平面CuO薄膜与ZnO纳米阵列组成纳米摩擦发电装置，装置的电流密度J_sc为0.48 uA/cm²；与上述两种装置相比，当使用CuO纳米阵列与ZnO纳米阵列组成纳米摩擦发电装置装置的电流密度J_sc高达8 uA/cm²。可见，将p型半导体CuO纳米阵列与n型半导体ZnO纳米阵列直接相互叠加，极大的提高了CuO与ZnO的界面面积，使得CuO与ZnO的摩擦更加充分，产生的电子空穴浓度更丰富。

技术领域

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，确切地说是一种新型发电设备及其制备方法。

背景技术

能源与环境问题是当前人类面临的两个最紧迫需要解决的问题，低碳经济是当今最热门话题。自2006年首个氧化锌压电式纳米发电机被提出后，世界上产生了将机械能转换成电能最小的纳米发电机【Science, 312, 5771, 2006】。物体和物体之间相互进行摩擦，就会使一方带上负电，另一方带上正电，由于不同的材料间相互摩擦产生的电叫摩擦起电。摩擦起电是自然界最常见的现象之一，摩擦起电效应是一种接触引发的带电效应，但是因为很难收集利用而被忽略。如果能够将摩擦电应用到自发电设备中，势必会给人们的生活带来更多的便利。摩擦纳米发电机作为一种全新的能源技术在可穿戴电子器件、物联网、环境、基础设施、医疗等各个领域均有应用前景【Materials Letters 280，128568，2020】。

目前摩擦纳米发电机摩擦凹凸面通过光刻等方法制备金字塔结构、微孔-纳米颗粒复合结构等，制备工艺复杂、成本高且接触面有限【Advanced Function Materials, 29,1901638, 2019】。此外摩擦界面都为固体与固体界面，易于损耗。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服以往摩擦纳米发电机摩擦凹凸面通过光刻等方法制备时制备工艺复杂、成本高的缺陷，提供一种p型半导体CuO纳米阵列与n型半导体ZnO纳米阵列直接相互叠加组成的摩擦纳米发电装置，制备方法简单，工艺重复性强。该装置中p型半导体CuO纳米阵列中的纳米棒与n型半导体ZnO纳米阵列中的纳米棒充分交织，摩擦界面极大的增强，此外在交织的阵列中注入的I^-/I₃^-电解液一方面润滑了界面摩擦，减缓了界面损耗；另一方面有助于电子空穴的分离，所得的电子空穴在p-n结的微区内建电场的作用下产生分离，空穴被p型半导体CuO纳米棒收集，电子被n型半导体ZnO纳米棒收集从而完成自供电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阵列交织型摩擦纳米发电机，包括玻璃衬基、FTO层、CuO纳米棒阵列、ZnO纳米棒阵列、I^-/I₃^-电解液；所述的FTO层镀在玻璃衬基上作为电极，所述CuO纳米棒阵列垂直生长于FTO层之上，所述CuO纳米棒阵列为空穴收集部，所述ZnO纳米棒阵列垂直生长于FTO层之上，所述ZnO纳米棒阵列为电子收集部分，同时CuO纳米棒阵列与ZnO纳米棒作为摩擦起电的部分。

所述FTO层的厚度为50-200 nm。