基于电荷泵和电场增强层的滑动式直流摩擦纳米发电机的性能提升

针对直流摩擦纳米发电机(DC-TENG)自身性能的局限性以及静电击穿的优化,提出了一种简便、通用的将电荷泵和电场增强层与DC-TENG耦合的策略(CE-DC-TENG),以提高DC-TENG的输出性能。交流摩擦纳米发电机(AC-TENG)被用作电荷泵,在DC-TENG中引入一层增强电场的导电层并与电荷泵连接,以积累电荷和增强静电击穿的电场。在研究过程中,设置了运动频率与竖直压力这两个参数,并通过改变参数的大小测试了对应的输出性能。结果表明在1.0 Hz的运动频率和25 N竖直压力下,CE-DC-TENG输出电流约为0.67μA,七个周期的转移电荷量约为0.95μC。这个结果分别约为基于静电击穿DC-TENG的5倍和2倍。并且,该器件的输出功率在负载电阻600 MΩ左右获得最大值,达到54μW。CE-DC-TENG的峰值输出功率约是DC-TENG的18倍。通过线性滑动模式CE-DC-TENG验证了该方法的有效性。

基于摩擦伏特效应的柔性直流电源研究进展

摩擦起电(triboelectrification,TE)是几乎所有材料表面都存在的物理现象,而半导体材料的TE不同于起静电的介电材料。在半导体与半导体或金属的动态接触界面上,机械摩擦导致界面原子间化学键合的不断破坏和重建过程,释放能量量子(也称键合子)来激发半导体界面的非平衡电子-空穴对,被激发的电子-空穴对在p-n结(或肖特基结、半导体异质结)的内建电场的作用下分离,从而在外电路产生直流电,该现象被称为摩擦伏特效应。此过程类似于光伏效应,不同之处在于能量的来源。在摩擦伏特效应中,电子-空穴对是由界面处原子瞬时跃迁释放的能量或界面处形成新键时释放的能量来激发,而光伏效应则是由光能激发。本文综述了基于摩擦伏特效应的直流发电机的研究进展,包括机理研究、材料与器件设计、表面改性增强策略等多个方面,并讨论了摩擦伏特器件在可穿戴设备领域作为柔性直流电源的设计开发、性能优化以及未来潜在应用场景。

Science China Technological Sciences 2024年67卷第5期中文摘要

用于高机械能收集的新兴直流摩擦纳米发电机陈杰,郭瑞龙,郭恒宇在物联网时代,为分布式、移动式和低功耗电子设备提供可持续电力是一项关键挑战:为了解决这个问题,2012年开发了摩擦纳米发电机,这是一种高效的高机械能收集技术.该技术能够将不规则和低频机械能直接转换为脉冲交流电信号:然而,大多数电子设备与交流信号的不兼容使得需要整流电路或发电机来传递直流信号。近年来,直流摩擦纳米发电机经历了蓬勃的发展,在各个应用领域取得了里程碑式的成果,同时也面临着诸多挑战.本文全面探讨了三类直流摩擦纳米发电机,即多相耦合、机械整流和空气击穿.全面讨论了它们的典型结构和工作机制,并确定了具体的输出性能限制以及相应的优化策略。此外,还总结了直流摩擦纳米发电机在各种场景中的应用,最后,分析了直流摩擦纳米发电机面临的挑战和潜在的解决方案,为该技术的进一步发展提供了指导。