從雨滴獲取電能！我國科學家利用摩擦納米技術發明新型太陽能電池

　　2018-03-10 07:29技術/新能源

　　我們都知道太陽能電池板（Solar panel）是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置。所以，一直以來，一個致命的缺陷就是陰雨天它會變得很無能。

　　但是，近日一條來自中國光學期刊報道讓人眼前一亮，蘇州大學研發出一種基於摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）技術開發的混合材料太陽能電池板，雨天照樣發電並存儲電能！

　　

　　這項研究成果來自於蘇州大學功能納米與軟物質研究院的孫寶全教授課題組與孫旭輝教授課題組共同協作，他們已將論文發表在 ACS Nano 上。

　　從雨滴中獲取電能，這聽起來有點不可思議，科學家們到底用了什麼高端技術？教授解釋道，他們主要利用了雨滴在材料表面運動產生的摩擦納米發電效益，從而在雨天時收集電能。

　　

　　雨滴在材料表面的運動產生摩擦發電效益示意圖

　　聽起來這個原理十分高大上，但是這麼一說你可能就理解了。我們從很小的時候就知道尺子摩擦頭皮后可以吸起碎紙屑，這就叫摩擦起電。

　　基於此，科學家就發明了摩擦納米發電機（Triboelectric Nano Generator，TENG），它的原理是通過利用材料之間摩擦引起的電荷轉移，實現了一舉一動都能發電的夢想。

　　給兩種材料接上外電路，再開合這兩種材料。兩種材料接觸時，電子轉移，這是摩擦起電。

　　把兩種材料拉開一個小距離，材料兩端的電極層會產生電位差（電壓降），這是靜電感應。

　　為了屏蔽這個電壓降，電子從外電路流動，產生電流。兩種材料不斷地拉開再合上，合上再拉開，就產生交變電流信號。

　　

　　簡易納米發電裝置和紡織品摩擦發電手套

　　所以說，摩擦納米發電機自供電感測系統，可利用外部環境機械振動產生電能從而實現供電。

　　在這項新研究種，科學家們設計出一個新型混合太陽能電池板，它的頂層材料採用了聚二甲硅氧烷聚合物，而下一層採用了聚（3,4-乙烯二氧噻吩）- 聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS)）。

　　在雨滴下落時，滑落運動會產生摩擦，頂層就會被激活， 聚合物與下一層接觸，而 PEDOT/PSS 材料的薄膜則充當起了兩者的共同電極，使得摩擦納米發電機直接向太陽能電池供電，讓後者從前者收集電能。

　　晴天也不用擔心，因為材料都是透明的，以確保光伏電池能夠正常收集太陽能。

　　摩擦納米發電機具有四種基本工作模式，分別為垂直接觸-分離、水平滑動、單電極、獨立層等，是一項顛覆性技術並具有史無前例的輸出性能和優點。

　　

　　摩擦納米發電機的四種基本工作模式

　　物理學認為，納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術后在能源與感測方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。

　　

　　麥克斯韋位移電流理論對科技與產業的影響

　　摩擦起電和靜電感應效應的耦合，如靈光一現，讓摩擦發電機成為可能。而納米技術的加入，像畫龍點睛，讓電流真正實現了有效輸出。

　　摩擦納米發電機效能十分高，是經典電磁發電機等同類技術沒法比的。因為它的種種優點，所以得到了科學家們的賞識和重用。

　　摩擦納米發電機作為微納能源，可以應用於移動通訊、物聯網、感測網路、健康監測、可穿戴設備、環境保護、基礎設施監測、國防技術等方面。

　　

　　納米發電機只需摩擦就能給手機充電

　　因為它具有能量密度高、體積小、重量輕、成本低和柔性透明等特點，有望成為新一代移動電能，改變人們的生活。與傳統電池相比，無需更換電池，具有高電壓低電流的特性。

　　納米發電機開創了自驅動主動式自驅動感測的新領域，在感測終端無需電源供給的情況下，能夠通過被測試對象自身的活動來產生電信號。

　　

　　在安保、監控、節能、人機交互界面、智能感測和智能皮膚等多個領域將有非常廣闊的應用前景。

　　摩擦納米發電機通過面積規模化，可以收集風、雨、海水動能中蘊藏的巨大能量。

　　

　　在風能再利用、海洋監測、國家安全，金屬防腐，污水處理，霧霾清除等多個領域具有極為廣闊的應用前景，有望成為新能源的重要組成部分，為擴大和優化宏觀能源結構做出巨大貢獻