液体和半导体材料相互作用产生电荷的过程是多种微能量收集技术的重要分支，但相关的物理过程却相对复杂，既有接触带电和摩擦伏特效应的贡献也有类似半导体二极管的整流作用。本文提出了一种使用含水固体在半导体表面来实现电荷输出的方法，最高可以达到186 mC·m-2的超高转移电荷密度。该发电器件设计中的独立层结构的可以保证两路输出电极都集成到不移动的半导体基底之上，并且利用含水的柔性织物材料可以将液体限制在更可控的状态，这提高了设备的鲁棒性和应用范围。
在机理解析方面，本研究通过利用一款自己设计的水下开尔文探针力显微镜（under water KPFM）观测到了水分子在金属和硅表面的不同聚集状态导致的界面偶极矩和表面电势的变化过程，从而清晰的解释了不同半导体以及电极材料与同种液体作用导致的输出电压变化的规律。因此，这种发电方式非常适合用于从含水的生物组织的摩擦运动中获取电学信号的自驱动输出，例如可以与舌头的舔拭运动，以及眼皮的眨眼运动相结合，实现微能量收集以及主动式运动传感。
由此，该研究也制造了一种智能隐形眼镜，从兔子的眼睑获得了0.05 A·m-2的平均电流密度。这项工作扩展了固液发电器件的设计方法以及应用领域，对水下表面电位的物理分析也可以阐明液体-半导体界面上发生的各种电子过程。该文章近期发表在《Energy & Environment Science》上，题目是“A wiping-type semiconductor-liquid generator utilizing water-bearing solid materials and hydrated biological tissues”，第一作者是北京纳米能源与系统研究所的博士生刘兆琦，陈翔宇研究员是独立通讯作者，北京理工大学的林世权副教授指导了水下原子力显微表征的分析。
图文解析
这种利用含水固体和半导体的液体擦拭发生器的设计结构如图1所示，发电机由顶部电极，缓冲层，半导体接触层，底部电极和导线组成。顶部电极通过绝缘缓冲层与半导体Si基板隔开，以防止异质结的直接形成。当含水固体与顶部电极接触时，虽然绝缘层仍然存在，但水作为导体将上部电极与半导体连接起来，因此形成回路。然后，随着擦拭过程和含水固体从半导体的表面离开，电流回路断开，直到下一次接触发生。由于吸水布的柔软性和水的润滑作用，该装置相较于传统的TVNG表现出优异的耐用性。在初始状态下，硅片内的电荷载流子在其自然状态下达到平衡。水的存在最初会导致Al和Si的表面电势发生变化，从而形成新的载流子平衡，擦拭过程以及随后的蒸发过程破坏了这种平衡，导致电子和空穴的运动，并向外部负载输出电流。
图1. 利用含水固体材料的擦拭式半导体发电机的一般结构
图2显示了使用水下KPFM研究水对擦拭型发电机金属和半导体的影响，图2b总结了金属和硅在空气中的表面电势、水造成材料的电势降和金属硅擦拭发电机的输出电压。由于金属表面存在水，不论是金属还是半导体的功函数都因为水的存在而改变。然而，如图中紫色柱状图所示，水引起的电位变化对于每种固体都是不同的，金属锌甚至表现出了相反的极性偏移。我们将这些变化归因于金属表面晶格对金属表面水分子偶极排列的影响。不同的水-金属键导致吸附水分子的偶极平面与金属表面之间的角度（θ）发生变化，吸附水的偶极矩不同导致金属在水的影响下表面场（电势降）的变化。因此，器件的宏观输出不仅电压与金属和硅表面功函数之差有关，也与固液界面上的界面偶极矩有关。以Al（4.54 eV）为例，水导致Al的表面电位降低，Si的表面电位升高。这导致两者之间的表面电位差扩大，最终导致Al-Si擦拭发生器的最大输出。此外，对于金属Zn（4.70 eV），水会导致Zn的表面电势显著降低，从而导致Zn-Si擦拭发生器的电压方向反转，这进一步证实了我们的结论。值得注意的是，通过测量外部电路的输出电压，我们只能大致确定整个设备的总电位降。只有利用这种水下KPFM，我们才能直接测试每种固体材料在水下表面电位的具体变化，从而获得设备的完整物理图像。
图2. 双电层对金属功函数的影响
这种擦拭发电机的另一个优势在于，其独立层模式省去了移动端电极的导线连接，并允许其在潮湿条件下运行，从而显著扩展了其潜在应用。为了扩大其应用范围，我们将擦拭发生器用作智能隐形眼镜的电源或传感模块，可以利用眨眼产生的能量。图6a显示了集成到智能隐形眼镜中的擦拭发生器的结构设计和示意图。隐形眼镜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质和擦拭发电机单元制成。为了平衡系统的紧凑性，隐形眼镜上的发电系统由7个并联的微型擦拭发电单元组成。使用100 μm厚的柔性硅片作为擦拭发生器的基板，以增强其生物相容性。每个微小的擦拭单元的尺寸为1×2毫米，有效面积约为1平方毫米。使用隐形眼镜，实现了0.16 μA的平均输出电流，最大电流密度为0.05 A·m-2。这些应用不仅拓宽了固液发电的应用领域，还展示了该发电机在微纳能量收集和传感领域的潜力，它标志着固液发生器与含水生物组织的开创性整合，促进了发电机与含水生物体之间的直接相互作用。这一突破有效地解决了TENG在潮湿条件下面临的低效挑战，并克服了TVNG与生物组织接触时遇到的不便。
图3. 擦拭发电机用于含水生物组织中发电
