隨著可穿戴電子設(shè)備的出現(xiàn)，柔性雜化能量收集器件備受關(guān)注。目前的柔性能量采集系統(tǒng)包括可打印的有機(jī)太陽(yáng)能系統(tǒng)(OSC)以及摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)。然而，盡管這些裝置可以有效地收集太陽(yáng)能和機(jī)械能，但有幾個(gè)局限嚴(yán)重制約了進(jìn)一步的改進(jìn)。首先，大部分報(bào)道的的TENGs和太陽(yáng)能系統(tǒng)集成系統(tǒng)是非緊湊型的；其次，為了進(jìn)一步提高輸出功率，需要適當(dāng)?shù)墓β使芾黼娐�；第三，由于激子�?fù)合時(shí)間極短和超薄的活性層，OSC對(duì)光的吸收不足，而在其光入射表面加入TENG會(huì)進(jìn)一步降低光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)；最后，來(lái)自環(huán)境的灰塵污染和水蒸氣，會(huì)對(duì)OSC產(chǎn)生侵蝕，嚴(yán)重降低了器件的輸出性能。
圖1柔性能量收集系統(tǒng)示意圖。
針對(duì)以上問(wèn)題，福州大學(xué)程樹(shù)英教授課題組聯(lián)合清華大學(xué)張海霞教授課題組合作研究提出了一個(gè)柔性自清潔的混合能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)共同的電極—聚萘二甲酸乙二醇酯/氧化銦錫（PEN/ITO）集成。這樣的設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成度，而且有效地利用了OSC的高電流和TENG的高電壓。
【文獻(xiàn)詳情】
圖2 GHF的制備過(guò)程與表征。
使用Si母版進(jìn)行軟光刻，可以獲得具有槽型微納米結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，即GHF（圖2a），總厚度為200μm，密實(shí)堆積的微凹槽平均直徑為15μm，深度為4μm。GHF具有良好的光學(xué)性能和超疏水性，GHF的微凹槽結(jié)構(gòu)可以起到凹透鏡的作用，不僅使通過(guò)的入射光發(fā)散，還為襯底提供了額外的光捕獲功能。為了進(jìn)一步增強(qiáng)其超疏水性和表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，作者采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕工藝，利用C4F8氣體對(duì)具有溝槽結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜進(jìn)行刻蝕處理（圖2a(iii-iv)）。隨后，采用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)圖2b(ii)中的C和F氧化態(tài)進(jìn)行表征。同時(shí)，還通過(guò)簡(jiǎn)化模型研究了C4F8等離子體沉積的碳氟化合物和PDMS與H2O的相互作用（圖2b(iii)），可以看出PDMS親水性更強(qiáng)，而且ICP處理后，接觸角(CA)大于150°，軋制角小于10°（圖2b(ii)）。因此，經(jīng)等離子體處理后的PDMS膜具有明顯的超疏水性。
基于GHF/PEN/ITO/MoO3/P3HT:PC61BM/Al的F-OSC結(jié)構(gòu)如圖3a所示。作者將GHF層壓在F-OSC的表面上以改善器件的弱光吸收性能，同時(shí)，分別用GHF和平面PDMS薄膜在PEN/ITO上層壓，以觀察PDMS層的光學(xué)行為。圖3c-d為PEN/ITO、平面PDMS/PEN/ITO、GHF/PEN/ITO的實(shí)測(cè)總透射率和反射光譜，結(jié)果表明GHF具有更高的透光率和更低的折射率。此外，由于微納米結(jié)構(gòu)之間的衍射和反彈光，GHF還可以擴(kuò)展光路（圖3b），因此，GHF具有較高的擴(kuò)散透過(guò)率。圖3e為PEN/ITO、平面PDMS/PEN/ITO、GHF/PEN/ITO的擴(kuò)散透射光譜和光散射物理圖。隨后，他們將GHF在F-OSC的表面上層壓，以驗(yàn)證其器件的可行性。如圖3f-h所示，為在100 mW/cm2(AM 1.5G)的光照下，PEN、平面PDMS/PEN和GHF/PEN對(duì)F-OSC光伏參數(shù)的J-V曲線、外部量子效率(EQE)譜圖和三維數(shù)值比較�？梢钥闯觯桨錚DMS并沒(méi)有明顯改善短路電流密度(Jsc)，而GHF器件的Jsc提高了16%以上。
圖4 AS-TENG的結(jié)構(gòu)和性能。
圖4a顯示了AS-TENG的PDMS層在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接與人體皮膚接觸產(chǎn)生表面電荷系統(tǒng)示意圖。AS-TENG利用接觸起電和靜電感應(yīng)的作用來(lái)發(fā)電（圖4b），當(dāng)TENG周期性地與人體接觸并分離時(shí)，人體與ITO電極之間會(huì)產(chǎn)生交流電，同時(shí)，GHF作為AS-TENG的摩擦電層，通過(guò)增加摩擦電層的表面積增加電荷量Q。作者利用COMSOL多物理仿真軟件擬合了GHF/AS-TENG和平面PDMS/AS-TENG的電勢(shì)分布（圖4c(i-ii)）�？梢钥吹�，由于與人體皮膚接觸時(shí)，GHF具有更大的有效接觸面積和更高的表面能，因此GHF/AS-TENG接觸表面的電荷積聚更多，電位更高，性能更好。界面表面粗糙度的增加和C4F8的沉積可提高開(kāi)路電壓和短路電流，因此，與圖4d-e平面PDMS/TENG相比，GHF/AS-TENG將開(kāi)路電壓和短路電流分別增大了120%和105%。此外，輸出電流隨著負(fù)載電阻的增大而減小，但當(dāng)負(fù)載電阻大于100kΩ時(shí)，輸出電壓也隨之增大（圖4f），同時(shí)，最大功率在30MΩ處達(dá)到最大(45μW)（圖4g-h）。
圖5柔性共電極混合系統(tǒng)。
在表面積為4cm2的共電極PEN/ITO上，可以制備出4mm2的F-OSC，通過(guò)在頂部引入光捕獲層GHF來(lái)有效地收集太陽(yáng)能。柔性共電極混合系統(tǒng)的等效電路如圖5b所示，用橋式整流器將AS-TENG產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電。對(duì)電容C1充電的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，AS-TENG的高電壓輸出（0.1V-0.7V，800s）（圖5e）會(huì)突破F-OSC的限制（0V-0.4V，1s）（圖5c），電容器的電壓在360s左右連續(xù)從0.4V到0.7V呈近似線性增長(zhǎng)（圖5d）。另外，該系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了F-OSC大電流與AS-TENG高電壓的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)（圖5g），而且輸出性能最好（圖5h）。
圖6柔性共電極混合系統(tǒng)的封裝功能和自清潔性能表征。
在共電極柔性混合系統(tǒng)中，GHF作為摩擦電層，完全覆蓋了暴露在空氣中的F-OSC，同步實(shí)現(xiàn)了摩擦電層對(duì)F-OSC的自封裝（圖6a）。通過(guò)測(cè)試F-OSC的Voc、Jsc、FF、PCE變化，可以看出GHF封裝器件具有良好的封裝性能和水隔離性能（圖6b）。圖6c-d為兩種F-OSC的J-V曲線。結(jié)果表明，GHF不僅具有優(yōu)良的防塵性能，而且具有良好的自清洗性能。為了測(cè)試隔塵能力和自清潔能力的穩(wěn)定性，作者將GHF和平面PDMS置于灰塵和粉塵污染的模擬環(huán)境中（圖6e、f）。可以看到，含有GHF的F-OSC經(jīng)過(guò)10個(gè)灰塵污染循環(huán)后，仍能維持了74%的初始效率，經(jīng)過(guò)10次粉塵污染后，仍然可以恢復(fù)到80%的初始效率。同時(shí)，在10個(gè)周期的灰塵污染和自清潔過(guò)程中，帶有GHF的AS-TENG仍然保持了90%的初始性能（圖6g-h）。
【總結(jié)】
在本文中，作者提出了一種基于槽形微/納薄膜(GHF)的可穿戴自清潔混合發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)包括一個(gè)電源管理電路，一個(gè)集成了有機(jī)太陽(yáng)能系統(tǒng)(F-OSC)和摩擦產(chǎn)電的單電極納米發(fā)電機(jī)(AS-TENG)。該系統(tǒng)從上可以收集太陽(yáng)能，從下可以收集人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。另外，還具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)、大表面積和超疏水性。以GHF作為摩擦電層和光捕獲層引入到混合系統(tǒng)中，使該裝置具有獨(dú)特的防塵、自清洗喝自封裝等功能，顯著提高了混合器件在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
Zhongyang Ren,Qiao Zheng,Haobin Wang,Hang Guo,Liming Miao,Ji Wan,Chen Xu,and Shuying Cheng,Haixia Zhang.Wearable and Self-Cleaning Hybrid Energy Harvesting System based on Micro/Nanostructured Haze Film.Nano Energy.2019.DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104243
來(lái)源：青桔 能源學(xué)人
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