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【Adv. Mater. Interf.】具有耦合结构和复用机制的多源能量收集器
       自人类工业化以来,煤炭、石油等化石能源的大量使用导致大气CO2激增、全球变暖和环境不断恶化。可再生能源因其清洁、丰富、可循环利用的优势,可以开发利用来改善这种状况。近年来,太阳能电池技术已成为新能源技术的引领者,它通过半导体pn结的光伏效应将光能转化为电能。而基于塞贝克效应的热电发电机(TEG)利用温差将热能转化为电能。此外,摩擦纳米发电机(TENG)可以通过接触起电和静电感应机制收集自然界中低频微弱的机械能。然而,环境条件复杂多变,这些设备只能在特定环境中获取单一能源,例如太阳能电池在阴天或晚上输出功率严重下降。因此,在复杂环境中收集多源能源将是实现更高效能源利用的重要途径。
       在近几年的研究中已经提出了多种复合能源收集器件,通过集成两种或两种以上的发电机,实现在环境能量交替可用时收集多种能源,解决了单个能量采集器的低效率问题。然而,这些多源能量采集器是独立结构和分散机制的集成,仍需要额外的电线来连接设备。这种拼凑设备在生产和应用中会受到严重限制,并且由于设备之间的重叠或遮挡,不同发电机的电输出无法耦合和最大化。因此,优化器件结构并降低多层结构之间的影响是多源能量采集器的首要问题。
           基于此,该工作设计了一种具有耦合结构和复用机制的多源能量收集器(MEH),通过耦合半导体的导电特性、光伏特性和热电特性,同时实现了雨滴能、太阳能和热能的收集。使用金属将镀有氧化铟锡(ITO)的n型和p型硅连接成π型结构,在半导体的光伏效应和热电效应的作用下可以耦合收集太阳能和热能;然后在ITO表面覆盖一层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜制成雨滴TENG,在接触起电和静电感应的机制下收集雨滴能量,达到了功能复用的效果。在这之中,ITO用作MEH的公共电极,同时参与了三种能量的收集。通过这种紧凑和耦合的配置,摩擦电、光伏和热电效应都可以促进发电,当三种效果同时作用时,输出的平均功率密度为4.44 mW/m2。此外,阵列后的MEH还被证明可用于为电容器充电和驱动电子设备,为各种复杂自然环境中的能源供应提供了有前景的解决方案。
相关研究成果以“Multisource Energy Harvester with Coupling Structure and Multiplexing Mechanism”为题,发表在《Advanced Materials Interfaces》上(https://doi.org/10.1002/admi.202200468)。