Advanced Functional Materials:摩擦纳米发电机利用容性供能策略驱动交流电致发光器件

在过去的几十年中,可以覆盖在大面积柔性基底上的电子系统因为可以很容易实现基于晶片的电子产品所不能实现的应用场景,受到越来越多的关注。柔性可拉伸发光器件是柔性可拉伸电子设备的一个分支,较低的制备成本和良好的机械拉伸性使得柔性光电器件在众多应用领域都具有无可替代的优势,将广泛应用于未来的可折叠和可扩展的平板显示器、可穿戴健康检测器和体内生物医学成像等领域。交流驱动的电致发光器件(Alternative Current Electroluminescent, ACEL)是柔性可发光器件中的一种,具有发光均匀,功耗低,丝网印刷工艺成本低,重量轻和形状灵活等优点,是如今市场上用于平面和柔性大面积光源的唯一成熟技术。由于交流电致发光器件发出的光均匀,可以大面积制备,因此广泛用于装饰照明,气体传感器和半导体制造过程中的其他光源,也可以用于便携式电子设备,类似墙纸的薄膜型固态照明和显示屏等等。除此之外,可拉伸的ACEL器件还具有固有的可拉伸性,低功耗,出色的可靠性和超长的使用寿命,可提供明亮的照明度。然而,ACEL固有的高驱动电压限制了它们的广泛应用,并且要实现可拉伸柔性ACEL的实际应用,亟需在保证ACEL具有一定亮度的同时使其摆脱对能源供应系统的依赖,从而使得ACEL具有轻便性和佩戴的舒适性。ACEL对现有的能源供应系统具有很高的依赖性,严重影响其在人机交互、可穿戴服饰、软体机器人、自供电监控和便携电子设备等领域的实际应用。与此同时,电子技术的迅猛发展为我们带来了更加智能的生活,能够摆脱传统笨重的电池和电缆的自供电系统是一个新兴趋势,可能会推动世界变得更加智能和经济。在这方面,对于独立的无线的和免维护的设备和系统,迫切需要新的绿色能源方法。因为机械能几乎全天候可用,可以将来自环境的机械能作为可持续自给自足的能源来收集的摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一项迫切需要的技术。

近日,由清华大学机械工程系季林红教授、程嘉副研究员的科研团队提出了一种新型的电容器件驱动策略,与之结合的摩擦纳米发电机可以高效驱动诸如ACEL的电容式器件。电容驱动策略可以在不受器件面积、材料、环境湿度等限制下显著提升TENG的输出电压。峰值电压是传统方法的2.3倍,转移的电荷增加到3.4倍。最终制备出基于摩擦纳米发电机的自供能电致发光器件,器件结构紧凑,输出性能优异,并具有很高的柔性和便携性,可应用于柔性机器人、柔性显示器、智能皮肤和可穿戴电子产品等领域。此外,这种容性驱动电路策略对于那些需要高压交流的容性负载是通用的,可有效提升摩擦纳米发电机的输出电压和电流的幅度。该技术对于探索提高TENG输出性能的新型机制与方法具有重要指导与借鉴意义。

图1 电路原理与复合器件的结构
图2 电路效果验证与应用展示

清华大学为论文第一单位,论文共同第一作者为清华大学硕士研究生刘旭和烟台大学硕士研究生张茂源(联合培养),季林红教授为研究团队负责人,程嘉副研究员为论文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金(No. 52075286)、国家科技重大科技专项(No. 2011ZX02403)等项目的资助。

论文信息:

Alternating Current Electroluminescent Device Powered by Triboelectric Nanogenerator with Capacitively Driven Circuit Strategy

Xu Liu, Maoyuan Zhang, Ze Yang, Hao Wang, Jiaqi Chen, Zhaozheng Wang, Yijia Lu, Yibao Chen, Linhong Ji, Jia Cheng*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106411

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106411