Adv. Energy. Mater.：復合型壓電-摩擦-熱-光電的納米發電機在收集機械能/熱能/太陽能中應用

【引語】

2016年11月16日，Adv. Energy. Mater.?網站在線發表了題為“A One-Structure-Based Piezo-Tribo-Pyro-Photoelectric?Effects Coupled Nanogenerator for Simultaneously?Scavenging Mechanical, Thermal, and Solar Energies”的文章。該文章的第一作者和通訊作者為國家納米科學中心與中國科學院北京納米能源與系統研究所的張克偉博士和楊亞教授。在這篇快訊（Communication）文章中，研究人員報道了一種能同時收集多種環境能量的復合型納米發電機，該復合型納米發電機綜合了單個熱電、光電以及壓電納米發電機的特性，可同時收集環境中存在的多種或單種能量，以實現從環境中最大限度地獲取廢棄的熱能、太陽能以及機械能。

【成果簡介】

納米發電機是一種將微小物理變化引起的機械能／熱能轉換電能的裝置。納米發電機目前主要有4種類型：壓電式(PiENG)、摩擦電式(TENG)、熱釋電式(PyENG)、光電式(PVC)。為提高能量的輸出以及實現多類型能量采集利用率最大化，單種能量采集裝置現轉變為復合型納米發電機，實現能同時收集多種能源的單一集成器件。這種技術可通過收集不同環境能量解決電子器件的高能耗問題。通過串聯或并聯的方式可將多個納米發電機堆積組裝成復合型納米發電機，但單個的納米發電機均具有獨立的輸出電極以及裝置結構，不適合大批量生產以及微小型裝置。為了解決這些問題，本文中的研究人員選用兼具熱電、光電、壓電特性的PbZr_xTi_1-xO₃(PZT)為基材設計了一種可同時收集熱能、太陽能以及機械能等多種能源的復合型納米發電機(TPiENG)。這種復合型納米發電機通過引入PEZ，可滿足同時收集單種或多種環境能量，實現從環境中最大限度地獲取廢棄的能源。此外，該復合型納米發電機還能夠獨立輸出較高的電壓和電流以滿足不同的能量需求。

圖1.多功能復合型納米發電機的設計

(a)實現多種能量收集的復合技術示意圖。

(b)多功能單一集成器件的原理示意圖。

(c)復合型納米發電機的成品圖。

(d)金屬銀納米線的SEM圖。

?圖2：多功能復合型納米發電機的裝置構造以及工作原理

(a) 復合型納米發電機的截面示意圖。

(b) PyENG納米發電機熱電效應物理機制圖。

(c) 具有ITO/PZT/Ag三明治結構的PVC納米發電機：光誘發電荷分離和電荷密度分布圖

(d)震動式TPiENG納米發電機的工作原理

圖3：三種納米發電機能量輸出性能

(a) PyENG、PVC和TPiENG納米發電機各自的能量輸出特性。

(b)-(f) 三種納米發電機的電壓測試圖（并聯1 GΩ的負載電阻）。

(g)-(i) 輸出電流與輸出能量隨著外部負載的變化。

圖4：復合型納米發電機的能量輸出特性

(a)-(b) PyENG-PVC復合型納米發電機的短路電流和開路電壓。

(c)-(d) PyENG-TPiENG復合型納米發電機的短路電流和開路電壓。

(e)-(f) PVC-TPiENG復合型納米發電機的短路電流和開路電壓。

(g)-(h) PyENG-PVC-TPiENG復合型納米發電機的短路電流和開路電壓。

(i) PyENG, PVC, TPiENG, 和PyENG-PVC-TPiENG納米發電機的電荷轉移圖。

?圖5：復合型納米發電機的整流特性以及充電特征抗輻照性能研究

(a) PVC與PyENG納米發電機的整流輸出電流曲線。

(b) PVC與PyENG納米發電機的整流輸出電壓曲線。

(c) 10 μF 的超級電容器分別經單個的PyENG、以及TPiENG納米發電機充電后的電壓測試。

(d)10 μF 的超級電容器分別經單個的PyENG-TPiENG、PVC-TPiENG以及PyENG-PVC-TPiENG復合型納米發電機充電后的電壓測試。

(e)10 μF 的超級電容器分別經單個的PyENG納米發電機在不同工作頻率下充電后的電壓測試。

(f) 10 μF 的超級電容器分別經單個的PVC納米發電機在不同工作頻率下充電后的電壓測試。

【小結】

綜上所述，研究人員設計了一種可同時收集熱能、太陽能以及機械能等多種能源的復合型納米發電機(TPiENG)。相對傳統單個納米發電機而言，這種復合型納米發電機裝置具有更小、更簡單以及更低成本的特點。PVC與PyENG納米發電機相對于單個的TPiENG納米發電機而言，具有較高的開路電壓但輸出電流較小。PyENG-PVC-TPiENG復合型納米發電機具備單個納米發電機的所有特性：最大短路電流約可達5?μA，最大開路電壓約可達80?V，平臺電壓約可達50?V，并且可使10 μF 的超級電容器90s充到5.1 V。這種復合型納米發電機，為實現從環境中最大限度地獲取廢棄的能源提供了一種重要的方法和思路。

文獻鏈接：A One-Structure-Based Piezo-Tribo-Pyro-Photoelectric?Effects Coupled Nanogenerator for Simultaneously?Scavenging Mechanical, Thermal, and Solar Energies?（Adv.?Energy. Mater.，2016, DOI: 10.1002/aenm.201601852）

?該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。

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