论文题目：基于摩擦起电效应的能量转换器件与性能提升研究
摘要：随着科学技术的发展,世界信息产业迈入物联网（Io T）和人工智能时代,电子设备逐渐趋于多功能化、智能化、小型化和便携化。由大量传感器单元构成的网络衔接是构建物联网的基础,而如何为数量庞大的微型电子设备供电已成为阻碍电子信息技术进一步发展的关键问题。然而,使用传统的化学电池作为能量供应装置不仅会带来严重的环境污染,而且面临着回收和管理的难题,因此发展新型可持续的绿色能源已迫在眉睫。摩擦起电是自然界和我们日常生活中随时随地发生的最常见的物理现象之一。近年来,基于摩擦起电和静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机（TENG）被提出作为一种新型的发电装置,它可以将环境中的各种机械能（如风能、振动能和生物力学能等）转化为电能。特别是在低频条件下,相较于传统的电磁发电机（EMG）有着明显的优势。遗憾的是,TENG的电输出性能不足严重阻碍了其发展和潜在应用,而摩擦电表面电荷密度则是影响TENG电输出性能的关键因素。本文围绕摩擦起电这一基本物理效应展开研究,首先通过耦合摩擦起电和光电效应,利用光照产生的光生载流子显著增强了摩擦电表面电荷密度,大幅度提高了TENG的电输出性能;其次,通过介电工程设计,优化摩擦材料的介电性能则有助于提高摩擦电荷的存储能力,进而增强摩擦材料的表面电荷密度,实现TENG的电输出性能提升。主要研究内容如下:第一个工作中,通过合理能带结构的配置,我们设计了一种基于P3HT:PC61BM共混活性层的光增强TENG,它可以同时捕获光能和机械能。在白光光照条件下,TENG的开路电压(VOC)、短路电流(ISC)和转移电荷量(QSC)分别提高了63%、76%以及127%。此外,我们系统的研究了光生载流子和摩擦电荷之间的相互作用,以进一步阐明摩擦起电和光电效应之间的耦合机制。开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜测试（CAFM）都证明了光照下P3HT:PC61BM共混合活性层产生的光生载流子能显著提高摩擦电表面电荷密度。另外,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。由此可以得出结论,在光增强TENG的工作过程中,光生载流子和摩擦电荷之间存在有益的相互促进作用。这项工作为同时捕获光能和机械能的复合器件的设计和性能改善提供了重要指导。第二个工作中,从优化摩擦材料的角度出发,制备了一种具备多孔结构的PDMS/Ca Cu3Ti4O12（CCTO）复合膜,通过调节CCTO的含量,发现多孔PDMS基体的相对介电常数可以从4.7提高到8。一方面,多孔结构能有效改善摩擦电介质材料的表面粗糙度进而增加摩擦层间的有效接触面积,提高摩擦电荷的产生总量;另一方面,介电常数的提高则能显著增强TENG内部电容,增加摩擦电荷存储量;两者协同提高PDMS/CCTO多孔复合膜的表面电荷密度,极大的增强了TENG的电输出性能。其次,系统地研究了PDMS/CCTO多孔复合膜的漏电流与CCTO复合含量之间的关系,结果表明,过高的CCTO含量会引起介电击穿致使复合膜的漏电流急剧增加,从而导致部分摩擦电荷损耗。此外,还探索了CCTO含量与TENG的性能品质因数（FOMP）间的关系。最后,我们将TENG整合到人体上用于收集人体运动时的生物力学能并为商业电子设备供电。这项工作不仅提出了一种通过优化摩擦材料提高TENG电输出性能的简单方法,而且为便携式和可穿戴电子产品提供了可持续的能源解决方案。
关键词：摩擦纳米发电机;表面电荷密度;摩擦电荷;光生载流子;摩擦材料
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 摩擦纳米发电机
1.2.1 摩擦纳米发电机的理论
1.2.2 摩擦纳米发电机的工作模式
1.2.3 摩擦材料
1.3 基于光电/摩擦电效应耦合的复合发电机用于光能、机械能捕获的研究进展
1.4 调控摩擦材料的介电性能以增强摩擦纳米发电机输出的研究进展
1.5 论文研究内容及意义
1.5.1 研究内容
1.5.2 研究意义
参考文献
第2章 样品的制备、表征和性能测试
2.1 引言
2.2 实验原料与仪器
2.2.1 实验原料
2.2.2 实验仪器
2.3 样品的制备
2.3.1 溶胶凝胶法制备Zn O薄膜
2.3.2 旋涂法制备P3HT:PC_(61)BM共混活性层
2.3.3 刮刀涂覆法制备PDMS/CCTO多孔复合膜
2.4 样品表征
2.4.1 X射线衍射分析(XRD)
2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)
2.4.3 原子力显微镜(AFM)
2.4.4 瞬态吸收光谱
2.5 性能测试
2.5.1 介电性能
2.5.2 电绝缘性能
2.5.3 摩擦纳米发电机的输出性能
2.6 本章小结
参考文献
第3章 光生载流子与摩擦电荷的耦合机制及摩擦纳米发电机的光致增强
3.1 引言
3.2 光增强摩擦纳米发电机的设计构建
3.2.1 ZnO薄膜的制备
3.2.2 P3HT:PC_(61)BM共混活性层的制备
3.2.3 光增强TENG器件的构建
3.3 器件的基本表征与性能测试
3.3.1 FTO/ZnO/P3HT:PC_(61)BM薄膜的基本表征
3.3.2 光增强TENG的电学性能测试及机理分析
3.4 本章小结
参考文献
第4章 基于PDMS/CCTO多孔复合膜的摩擦纳米发电机用于生物力学能收集
4.1 引言
4.2 摩擦纳米发电机的制备
4.2.1 PDMS/CCTO多孔复合膜的制备
4.2.2 器件制作与组装
4.3 实验设备
4.4 结果讨论与分析
4.4.1 器件的结构及工作原理
4.4.2 电学性能测试
4.4.3 TENG用于收集生物力学能
4.5 本章小结
参考文献
第5章 总结与展望
致谢