通过集成生物水伏光电探测器实现的自供电太阳能遮光紫外线检测

《Nano Energy》：Self-Powered Solar-Blind UV Detection Enabled by an Integrated Bio-Hydrovoltaic Photodetector

自供电紫外探测器通过生物水压发电与Ga2O3光电层协同实现，适用于潮湿封闭环境，在零偏压下响应度达3.71 mA/W，长期稳定运行。

　　

魏王|黄诗雅|胡曦曦|关玉杰|余爱芳|胡启昌

中国福建省农林大学机电工程学院农业信息传感技术重点实验室，福州350002

摘要

传统的自供电光电探测器通常依赖于精心设计的异质结构来提供工作偏压，这不可避免地导致制造工艺复杂、生产成本高以及可扩展性有限，特别不适合在封闭、难以进入且电力稀缺的环境中长期部署。在这里，我们提出了一种基于生物水伏技术的极简主义自供电太阳能盲光电探测器，专门针对持续潮湿和封闭的环境设计，如地下公用走廊、隧道、矿山或近海电缆接合室以及易受潮的配电箱。通过将基于微生物生物膜的氢伏发电机与氧化镓（Ga₂O₃）的太阳能盲光电导层在半垂直结构中单片集成，该设备能够直接将普遍存在的环境湿度转化为稳定的直流电，从而无需任何外部偏压即可持续驱动紫外线检测。得益于在环境湿度下产生的可持续和可再生的生物电能，该光电探测器表现出优异的零偏压性能，响应度达到3.71 mA/W，外部量子效率为1.81%，特定检测率为1.73 × 10¹¹ Jones，响应/恢复时间分别为291 ms和505 ms。该设备在持续潮湿的条件下表现出稳定的长期运行能力，突显了其在恶劣、光线不足且湿度高的基础设施中分布式传感的适用性。这项工作为将生物水伏能量收集与光电传感集成提供了一个可靠的范例，使得在潮湿环境中实现耐用且无需维护的太阳能盲检测成为可能。

引言

太阳能盲光电探测器能够将紫外线辐射精确转换为电信号，并具有超快的响应速度，是安全通信、智能控制、精密光谱学和先进成像系统的核心组成部分[1]、[2]、[3]。由于它们对太阳背景辐射不敏感，因此在需要极高稳定性和可靠性的关键任务应用中不可或缺，例如导弹制导、目标成像、早期火灾预警、近空间目标识别和深空探索[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。除了这些传统的露天应用外，太阳能盲光电探测器在封闭、潮湿且环境持续潮湿的基础设施中也越来越受到需求，包括地下公用走廊、交通隧道、采矿巷道、污水处理池、海底或近海电缆接合室以及易受潮的电力配电箱。在这些环境中，设备必须在有限的访问性、高湿度和长期无人值守的条件下连续运行，这对检测性能以及环境兼容性和运行可持续性提出了严格的要求[9]。为了满足这些严格的要求，最近的研究集中在范德华外延生长和二维材料的混合集成上，以实现宽带和高灵敏度的光电检测[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，大多数这些方法仍然依赖于复杂的异质结结构和辅助电源模块，这些结构容易受到环境波动的影响，不适合在密封和潮湿的基础设施中长期部署[16]、[17]。

因此，太阳能盲光电探测器在这些场景中的长期部署从根本上受到能源供应和设备架构的限制。传统系统依赖于外部电源或电池，导致接线复杂、维护频繁，并且不适合密封或难以进入的空间。尽管已经探索了基于太阳能、机械能、摩擦电或压电能收集的自供电策略[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，但由于照明不足、机械能量不稳定以及湿度引起的性能下降，它们的有效性在封闭或潮湿的环境中受到严重限制。同时，许多自供电光电探测器仍然依赖于复杂的异质结来建立内置电场，这些异质结存在材料要求严格、界面不稳定和可扩展性有限的问题[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。因此，开发一种新的自供电太阳能盲光电检测范式，结合结构简单性、强耐湿性和持续的能量输出，对于在潮湿且电力稀缺的基础设施中实现可靠的紫外线检测至关重要。

在追求可持续的环境能源来源的过程中，水伏技术作为一种可行的途径出现，可以克服自供电操作的瓶颈，因为它们可以直接将普遍存在的水资源（如液态水、环境湿度、植物蒸腾作用和雨滴）转化为电能[30]、[31]、[32]。这些技术具有几个内在优势，包括丰富的、持续可用的资源、对环境的良性影响以及低成本，并且在多种材料系统中展示了高效的湿度诱导电力生成，从而为自供电电子设备提供了可靠的电源[33]、[34]、[35]。基于这一概念，我们的团队之前开发了一种基于生物膜的湿电发电机，进一步扩展了水伏技术的能量收集前沿[36]、[37]、[38]、[39]。所使用的Geobacter sulfurreducens (G.s)具有独特的电子传输和呼吸代谢特性，使得由此产生的生物膜能够通过与水分子的相互作用稳定输出电能。此外，作为一种可再生的生物质材料，微生物生物膜具有自我繁殖能力、低制造成本、零环境污染以及优异的机械柔韧性和生物相容性，使其成为可穿戴、灵活和长期运行的设备的自然理想材料平台。

利用这些优势，本研究将微生物生物膜作为水伏功能层与Ga₂O₃太阳能盲检测核心层在单片结构中集成，从而构建了一种自供电太阳能盲光电探测器，该探测器具有结构简单性、强大的环境适应性和长期运行稳定性，通过湿度驱动的电力生成与紫外线检测的协同作用实现。如图1所示，介绍了生物水伏自供电光电探测器的设计原理和集成策略。与依赖外部电源提供偏压的传统Ga₂O₃光电导探测器不同，该设备创造性地结合了基于G. s的生物膜水伏发电机。在环境湿度下，水伏层通过与水分子的相互作用产生自发电压；该电压直接作为原位偏压施加在Ga₂O₃光敏层上，驱动光生载流子的定向传输，从而实现无需任何外部电源的自供电紫外线检测。此外，由于基于生物材料的固有灵活性，该系统在未来扩展到柔性光电设备、植入式设备和皮肤接口智能传感应用方面具有广泛潜力。

设备制造和自供电光响应特性

如图2所示，详细介绍了生物水伏光电探测器的制造过程。该设备通过四个简单的步骤制造而成。首先，通过金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在丙酮清洗过的c-plane蓝宝石基底上沉积了Ga₂O₃薄膜。随后，通过磁控溅射形成了Ti/Au对电极。之后，将均匀制备的G.s悬浮液滴涂在电极区域的一侧。

结论

在这里，我们构建了一种基于微生物生物膜和Ga₂O₃协同集成的“半垂直”光电探测器，验证了通过环境湿度诱导的生物水伏效应驱动半导体设备的可行性。实验结果表明，该设备在零偏压模式下表现出优异的太阳能盲紫外线检测性能。具体来说，其响应度和外部量子效率分别达到3.71 mA/W和1.81%

基于β-Ga₂O₃的光电导探测器的制造

首先，通过在800 °C下使用金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在c-plane蓝宝石上生长了约400 nm厚的β-Ga₂O₃薄膜，反应器压力保持在约250 Torr[46]。沉积过程中使用一氧化二氮（N₂O）和三乙基镓（TEGa）作为氧和镓的前驱体。然后，通过磁控溅射在制备好的Ga₂O₃/蓝宝石上依次沉积了Ti/Au对电极（Ti的厚度约为40 nm，Au的厚度约为120 nm）。

G.s细菌的制备

G. s

CRediT作者贡献声明

余爱芳：撰写 – 审稿与编辑，可视化。胡启昌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取。胡曦曦：撰写 – 审稿与编辑，可视化。关玉杰：撰写 – 审稿与编辑，可视化。魏王：撰写 – 原稿，可视化，资金获取，数据管理，概念化。黄诗雅：撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42577350、42377310和62405056）、福建省杰出青年科学基金（项目编号2025J010026）、福建省自然科学基金（项目编号2024J01419）、北京高熵能源材料与器件重点实验室、北京纳米能源与纳米系统研究所（项目编号GS2025MS029）以及青年和中年教师教育研究项目的支持