基于高性能无铅压电/介电陶瓷的多功能复合能量捕获器件及其电输出特性研究

Effectively capture environmental energy has aroused widely concern. Aiming at the key scientific issues of the unclear physical mechanism of mutual coupling for PVC and TENG, PENG and TENG, this proposal will explore a viable solution, based on previous research results and our recent research work accumulation. Inorganic piezoelectric films or organic-inorganic composite films will be prepared as functional layers for photovoltaic devices, Lead-free oxide ceramics with high piezoelectric coefficient and high dielectric constant will be synthetized and then composite membranes formed with the organic polymer (PDMS/PVDF) will prepared as functional layers of PENG and TENG, respectively. The influencing factors of photovoltaic performance for PVC device will be investigated. The influence of inorganic materials content and elastic modulus on the output performance of the PENG will be discussed. The relationship between surface charge density of TENG with dielectric constant and dielectric loss of the composite film will be explored. On the basis of these results, composite energy harvesting devices will be constructed. Combined structural design, advanced experimental techniques with computational simulation, physical mechanisms of mutual coupling among photo-generated, piezoelectric and frictional charges will be in-depth understood. The implementation of this project will provide experimental and theoretical guidance for the application of new devices capturing solar energy mechanical energy in low-power devices, such as wearable devices and compact sensors.

从环境中高效的收集能量已引起广泛关注。针对光伏器件(PVC)和摩擦纳米发电机(TENG)、压电纳米发电机(PENG)和TENG相互耦合的物理机制尚不完全清楚等关键科学问题，本项目拟制备光活性的有机/无机复合膜作为PVC的功能层，高压电系数、高介电常数氧化物陶瓷和有机聚合物(PDMS、PVDF)形成的压电、介电复合膜分别作为PENG和TENG的功能层。探究PVC光伏性能与无机物形貌、含量和有机/无机两相接触情况的关系，探索压电复合膜中无机物形态、弹性模量等因素对PENG电输出参数的影响，探讨TENG表面摩擦电荷密度随介电复合膜介电性质的变化规律。在此基础上构筑PVC-PENG-TENG复合器件，综合结构设计、先进的实验技术和计算模拟，深入理解光生电荷、压电和摩擦电荷互相耦合的物理机制。该项目的实施将为新型多功能复合能量捕获器件在低功耗器件如可穿戴器件和紧凑型传感器等的应用提供实验和理论指导。

从环境中高效收集微弱能量可为物联网传感器供电，具有巨大的应用潜力。针对摩擦电荷与光生载流子，压电电荷和光生载流子相互耦合的物理机制尚不完全清楚等关键科学问题，本项目做了系列探索，主要研究内容可概括为：(1) 光生电荷、压电和摩擦电荷相互耦合的物理机制与纳米发电机性能增强，(2) 基于无铅压电陶瓷的柔性压电纳米发电机(PENG)与微传感、触觉应用，(3) 捕获多种环境能量的摩擦纳米发电机(TENG)的结构设计与自供电传感，(4) 基于TENG的复合能量捕获器件的结构设计与应用探索。围绕这些研究内容，本项目取得了如下代表性研究成果：(a) 设计基于P3HT:PC61BM共混活性层的光增强TENG，白光照射下，TENG的开路电压、短路电流和转移电荷量分别提高了63 %、76 %以及127 %。开尔文探针显微镜和导电原子力显微镜测试都证明P3HT:PC61BM层产生的光生载流子能显著提高摩擦电表面电荷密度。瞬态吸收光谱测试结果表明由摩擦电荷诱导的静电场有助于激子的解离。由此可知，光生载流子和摩擦电荷之间存在相互促进。本工作为同时捕获光能和机械能复合器件的设计和性能改善提供了重要指导。(b) 制备基于钛、钐共掺杂铁酸铋(BSFTO)的三维互联压电填料，并利用此填料的高应力传递能力制备出性能更好的PENG。COMSOL多物理场软件仿真结果以及实验结果进一步证明了三维互连压电填料增强了应力传递能力。最佳的开路电压和短路电流分别为16 V和2.8 μA。采用压电信号作为触发信号设计自驱动机械传感系统并应用于消防安全。这项工作建立了制备高性能柔性PENG的绿色途径。(c) 设计了与管状结构相集成的TENG，它在170 Hz、115 dB的声波的作用下可以产生400 V的开路电压及175 μA的短路电流。发电机产生的电能经能量管理电路存储之后可为额定电压为1.5 V的温湿度计持续供电。本工作探索了一种自供电声传感应用的新途径，在物联网、环境降噪等方面具有非常广阔的应用前景。总之，本项目在环境友好多功能环境能量捕获器件的设计和制作，摩擦、压电电荷与光生载流子相互作用的物理机制和复合能量捕获器件的应用探索等方面均取得了有意义的研究进展。