近期，程纲教授课题组的研究成果“A self-powered photodetector using a pulsed triboelectric nanogenerator for actual working environments with random mechanical stimuli”在国际著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一区)上发表。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106518

物联网、大数据、人工智能（AI）等的迅速发展，需要数以十亿计的传感器获取准确可靠的物理信息。作为最重要的传感器之一，光探测器在自动控制，光度计量，激光稳瞄，红外成像等领域起到关键作用。但是，目前的光探测器均依赖于外部电源供电，这增加了光传感系统的体积、限制了光探测器的移动性和独立性。电池的使用不仅限制了光探测器的使用寿命，且带来维护成本高昂和回收困难等问题。此外，电池回收不当还会导致环境污染。因此，迫切需要发展不依赖外部电源供电的自驱动光传感系统。

第一个自驱动紫外光探测器于2014年被提出，之后，基于摩擦纳米发电机（TENG）和光探测器的光传感系统被广泛报道。现有的自驱动光传感系统主要是基于TENG和光探测器之间的阻抗匹配效应工作的。即当光探测器的阻抗处于TENG的中等阻抗范围时（约1 MΩ-1 GΩ），光强变化引起光探测器的阻抗变化，导致TENG输出电压或电流的显著变化，从而利用TENG的输出电压或电流表征光强。研究发现，TENG的输出电压和电流不仅受负载阻抗的影响，同时也受工作频率的影响。负载恒定的情况下，TENG的工作频率越高，其输出电压和输出电流也越大。然而，在实际环境中，机械能是随机的，无法保证TENG工作频率的稳定。TENG的输出电压和电流同时受机械能频率和负载阻抗两个因素的影响，限制了自驱动光传感系统的实际应用。

一种基于Pulsed-TENG的可用于收集实际环境中随机机械能的自驱动光探测器

与传统TENG等效为一个电压源和一个可变电容的串联不同，脉冲式摩擦纳米发电机（Pulsed-TENG）等效为一个电压源、一个固定电容和一个开关的串联，其内部等效阻抗为零，因此可以保持输出电压的最大化，且不受负载阻抗和机械能频率的影响。基于此，我们发展了一种基于Pulsed-TENG的自驱动光探测器，其中旋转独立层模式的Pulsed-TENG为自驱动光探测器的电源，阻变型光探测器为传感器，LEDs为报警器。该自驱动光探测器可以通过Pulsed-TENG的输出电流，或者与定值电阻串联后光探测器的分压表征光强。电流检测模式中，电流与光强呈线性关系，当光强从0逐渐增加到1 W/m²，电流从1.6 μA逐渐增加到11.2 μA。电压检测模式中，当光强度从9 W/m²逐渐增加到403 W/m²时，光电探测器两端的电压从约60 V逐渐降低到1 V。最后，设计了紫外光到可见光转换的电路，通过点亮LEDs的个数表征光强。该自驱动光探测器不受工作频率的影响，为在机械能随机变化的实际工作环境中自驱动光探测器的稳定工作提供了可行的方法。

硕士研究生王庭豫和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。