Adv. Energy. Mater.：复合型压电-摩擦-热-光电的纳米发电机在收集机械能/热能/太阳能中应用

【引语】

2016年11月16日，Adv. Energy. Mater. 网站在线发表了题为“A One-Structure-Based Piezo-Tribo-Pyro-Photoelectric Effects Coupled Nanogenerator for Simultaneously Scavenging Mechanical, Thermal, and Solar Energies”的文章。该文章的第一作者和通讯作者为国家纳米科学中心与中国科学院北京纳米能源与系统研究所的张克伟博士和杨亚教授。在这篇快讯（Communication）文章中，研究人员报道了一种能同时收集多种环境能量的复合型纳米发电机，该复合型纳米发电机综合了单个热电、光电以及压电纳米发电机的特性，可同时收集环境中存在的多种或单种能量，以实现从环境中最大限度地获取废弃的热能、太阳能以及机械能。

【成果简介】

纳米发电机是一种将微小物理变化引起的机械能／热能转换电能的装置。纳米发电机目前主要有4种类型：压电式(PiENG)、摩擦电式(TENG)、热释电式(PyENG)、光电式(PVC)。为提高能量的输出以及实现多类型能量采集利用率最大化，单种能量采集装置现转变为复合型纳米发电机，实现能同时收集多种能源的单一集成器件。这种技术可通过收集不同环境能量解决电子器件的高能耗问题。通过串联或并联的方式可将多个纳米发电机堆积组装成复合型纳米发电机，但单个的纳米发电机均具有独立的输出电极以及装置结构，不适合大批量生产以及微小型装置。为了解决这些问题，本文中的研究人员选用兼具热电、光电、压电特性的PbZr_xTi_1-xO₃(PZT)为基材设计了一种可同时收集热能、太阳能以及机械能等多种能源的复合型纳米发电机(TPiENG)。这种复合型纳米发电机通过引入PEZ，可满足同时收集单种或多种环境能量，实现从环境中最大限度地获取废弃的能源。此外，该复合型纳米发电机还能够独立输出较高的电压和电流以满足不同的能量需求。

图1.多功能复合型纳米发电机的设计

(a)实现多种能量收集的复合技术示意图。

(b)多功能单一集成器件的原理示意图。

(c)复合型纳米发电机的成品图。

(d)金属银纳米线的SEM图。

图2：多功能复合型纳米发电机的装置构造以及工作原理

(a) 复合型纳米发电机的截面示意图。

(b) PyENG纳米发电机热电效应物理机制图。

(c) 具有ITO/PZT/Ag三明治结构的PVC纳米发电机：光诱发电荷分离和电荷密度分布图

(d)震动式TPiENG纳米发电机的工作原理

图3：三种纳米发电机能量输出性能

(a) PyENG、PVC和TPiENG纳米发电机各自的能量输出特性。

(b)-(f) 三种纳米发电机的电压测试图（并联1 GΩ的负载电阻）。

(g)-(i) 输出电流与输出能量随着外部负载的变化。

图4：复合型纳米发电机的能量输出特性

(a)-(b) PyENG-PVC复合型纳米发电机的短路电流和开路电压。

(c)-(d) PyENG-TPiENG复合型纳米发电机的短路电流和开路电压。

(e)-(f) PVC-TPiENG复合型纳米发电机的短路电流和开路电压。

(g)-(h) PyENG-PVC-TPiENG复合型纳米发电机的短路电流和开路电压。

(i) PyENG, PVC, TPiENG, 和PyENG-PVC-TPiENG纳米发电机的电荷转移图。

图5：复合型纳米发电机的整流特性以及充电特征抗辐照性能研究

(a) PVC与PyENG纳米发电机的整流输出电流曲线。

(b) PVC与PyENG纳米发电机的整流输出电压曲线。

(c) 10 μF 的超级电容器分别经单个的PyENG、以及TPiENG纳米发电机充电后的电压测试。

(d)10 μF 的超级电容器分别经单个的PyENG-TPiENG、PVC-TPiENG以及PyENG-PVC-TPiENG复合型纳米发电机充电后的电压测试。

(e)10 μF 的超级电容器分别经单个的PyENG纳米发电机在不同工作频率下充电后的电压测试。

(f) 10 μF 的超级电容器分别经单个的PVC纳米发电机在不同工作频率下充电后的电压测试。

【小结】

综上所述，研究人员设计了一种可同时收集热能、太阳能以及机械能等多种能源的复合型纳米发电机(TPiENG)。相对传统单个纳米发电机而言，这种复合型纳米发电机装置具有更小、更简单以及更低成本的特点。PVC与PyENG纳米发电机相对于单个的TPiENG纳米发电机而言，具有较高的开路电压但输出电流较小。PyENG-PVC-TPiENG复合型纳米发电机具备单个纳米发电机的所有特性：最大短路电流约可达5 μA，最大开路电压约可达80 V，平台电压约可达50 V，并且可使10 μF 的超级电容器90s充到5.1 V。这种复合型纳米发电机，为实现从环境中最大限度地获取废弃的能源提供了一种重要的方法和思路。

文献链接：A One-Structure-Based Piezo-Tribo-Pyro-PhotoelectricEffects Coupled Nanogenerator for SimultaneouslyScavenging Mechanical, Thermal, and Solar Energies（Adv.Energy. Mater.，2016, DOI: 10.1002/aenm.201601852）

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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