Charge Storage Behavior of β-FeSi2 Nanoparticles
Energy shortage has always been a hot topic for decades. New industries' development and more significant concern over environmental pollutions require high energy density and clean energy resources. Among all the energy sources, renewable clean energies have developed dramatically in recent years, however, they require storage systems such as batteries and supercapacitors. Their utilization along with the fast-growing market of portable electronic devices and electric vehicles provide a promising solution for the utilization of renewable energies.
Usually, electrochemical energy storage devices such as batteries and supercapacitors work with liquid electrolytes, either organic or inorganic, which is usually toxic and harmful to the environment. However, we present a non-toxic, environmentally friendly, and cost-effective capacitor based on β-FeSi2 nanoparticles that work in air-saturated water vapor. Unlike traditional parallel double plate capacitors, an innovative interdigitated capacitor structure is employed. The device is electrically robust, can be reused many times, even after applying high voltage. The active material β-FeSi2 nanoparticles are spin-coated onto the gold interdigitated structure printed on the SiO2 substrate (4×4 mm2) using lithography. The interdigitated structure enables easier access for water molecules to the β-FeSi2 nanoparticles, compared to conventional double plate capacitors. The active material β-FeSi2 nanoparticles are produced via direct gas-phase synthesis and enable mass production at a low price.
The β-FeSi2 nanoparticles-coated interdigitated capacitor tested in the air-saturated water vapor shows a specific capacitance, which is three orders of magnitude higher than the capacitance of the β-FeSi2 interdigitated capacitor tested under dry air. The interdigitated capacitor without β-FeSi2 thin film exhibits a negligible capacitance, compared to the interdigitated capacitor with nanoparticles. In this work, the effect of water vapor and β-FeSi2 nanoparticles during the charging and discharging process is studied as well as the charging and discharging mechanism, including the charge transfer behavior of semiconducting materials in the air saturated with water vapor. A working model of the β-FeSi2 interdigitated capacitor is established. Besides, the storage capacity of interdigitated capacitors under different working atmospheres and with additional active materials, are also investigated, tested, and compared.
Energieknappheit ist seit Jahrzehnten ein vieldiskutiertes Thema. Die Entwicklung neuer Industrien und die zunehmende Sorge um Umweltverschmutzungen erfordern nicht nur eine hohe Energiedichte, sondern auch saubere Energieressourcen. Unter allen Energiequellen haben sich erneuerbare, saubere Energien in den letzten Jahren dramatisch entwickelt aber sie erfordern Energiespeicher wie Batterien und Superkondensatoren. Ihre Nutzung im schnell wachsenden Markt tragbarer elektronischer Geräte und elektrischer Fahrzeuge bietet eine vielversprechende Lösung für die Nutzung erneuerbarer Energie.
Normalerweise arbeiten elektrochemische Energiespeicher wie Batterien und Superkondensatoren mit einem flüssigen Elektrolyten, entweder organisch oder anorganisch, der normalerweise giftig und umweltschädlich ist. Wir präsentieren jedoch einen ungiftigen, umweltfreundlichen und kostengünstigen Kondensator auf Basis von β-FeSi2 Nanopartikeln, der in gesättigtem Wasserdampf arbeitet. Im Gegensatz zu herkömmlichen parallelen Doppelplattenkondensatoren wird eine innovative interdigitalisierte Kondensatorstruktur verwendet. Das Gerät ist elektrisch robust und kann auch nach Anlegen einer Hochspannung mehrfach wiederverwendet werden. Die β-FeSi2 Nanopartikel des aktiven Materials werden auf die goldinterdigitalisierte Struktur aufgeschleudert, die mittels Lithographie auf ein SiO2 Substrat (4 × 4 mm2) gedruckt wird. Die Interdigital-Struktur wird verwendet, um – verglichen mit herkömmlichen Doppelplattenkondensatoren – Wasserdampf einen leichteren Zugang zu den β-FeSi2 Nanopartikeln zu ermöglichen. Das Aktivmaterial β-FeSi2 Nanopartikel wird durch direkte Gasphasensynthese hergestellt und ermöglicht eine Massenproduktion zu einem niedrigen Preis.
Der mit β-FeSi2 Nanopartikeln beschichtete interdigitalisierte Kondensator, der unter gesättigtem Wasserdampf getestet wurde, zeigt eine spezifische Kapazität, die drei Größenordnungen höher ist als die Kapazität des unter trockener Luft getesteten interdigitalen β-FeSi2 Kondensators. Auch der Interdigital-Kondensator ohne β-FeSi2 Dünnfilm weist im Vergleich zum mit Nanopartikeln beschichteten Kondensator vernachlässigbare Kapazität auf. In dieser Arbeit wird die Wirkung von Wasserdampf und β-FeSi2 Nanopartikeln während des Lade- und Entladevorgangs untersucht sowie der Lade- und Entlademechanismus einschließlich des Ladungsübertragungsverhaltens von halbleitenden Materialien unter Wasserdampfatmosphäre. Ein Arbeitsmodell des interdigitalen β-FeSi2 Kondensators wird erstellt. Darüber hinaus wird die Speicherkapazität des Interdigital-Kondensators unter unterschiedlichen Arbeitsatmosphären und mit weiteren Aktivmaterialien untersucht, getestet und verglichen.