最新成果：柔性自清洁复合能量采集系统

福州大学物理信息与工程学院程树英教授课题组和北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组日前联合在纳米科学技术领域重要期刊 《Nano energy》上发表文章《基于微纳米结构雾度薄膜的可穿戴式自清洁复合能量采集系统》（Wearable and Self-Cleaning Hybrid Energy Harvesting System based on Micro/Nanostructured Haze Film, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104243），福州大学2017级硕士研究生任中阳为论文第一作者，程树英教授和张海霞教授为论文的共同通信作者。

【成果简介】

随着多功能器件与可穿戴技术的快速发展，能够同时采集多种能量并与人体紧密结合的柔性复合能量采集器件备受关注。在这篇文章中，我们提出了一种可穿戴的自清洁复合能量采集系统。该系统利用微纳米结构雾度薄膜（GHF）实现了优异的光学性能、较大的有效接触面积和优越的自清洁性能。PEN/ITO作为公共电极，使得复合能量采集系统可以同时从顶部收集太阳能并从底部收集人体运动的机械能。同时，利用FPCB技术，将柔性有机太阳能电池（F-OSC）和单电机摩擦纳米发电机（AS-TENG）通过PEN/ITO集成在一起，不仅增强了整个系统的集成度，而且有效地协同了来自太阳能电池的大电流和来自摩擦纳米发电机的高电压。最后，通过引入超疏水GHF，我们封装了这种柔性复合能量采集装置，实现了优越的防尘和自清洁性能，显著提高复合电池在实际应用中的稳定性和可重复性。 

【图文导读】

论文提出了采用FPCB技术将柔性有机太阳能电池（F-OSC）和单电机摩擦纳米发电机（AS-TENG）通过PEN/ITO作为公共电极集成在一起，使得复合能量采集系统可以同时从顶部收集太阳能并从底部收集人体运动的机械能并提高系统的输出。

图1 柔性自清洁复合能量采集系统。

论文设计并制备了一种具有优异光学性能、超疏水性能的雾度薄膜GHF，并将GHF集成到复合能量采集装置中（1）作为摩擦层来增加AS-TENG的表面电荷密度（2）作为陷光层来提高F-OSC的光电转换效率，结构和制备过程如下图所示。

图2 微纳米结构雾度薄膜的制备流程（a），表面形貌表征（b）及物理特性（c）。

同时，该系统集成了一个柔性的能量管理电路，并通过引入公共电极的方法提高了系统的集成度，有效地利用了太阳能电池的大电流和摩擦纳米发电机的高电压，其中，AS-TENG输出电压/电流提高了120%/105%，F-OSC的光电转换效率提高了16%。

图3（a）柔性复合能量采集系统的结构示意图；（b）柔性复合能量采集系统的能量管理电路；（c-e）用不同的能量采集单元分别对10μF的电容器充电；（f）以嵌入的方式集成到衣物中的柔性自清洁复合能量采集系统示意图；（g）复合能量采集系统的输出稳定性测试；（h）柔性自清洁复合能量采集系统与串并联复合能量采集器以及独立能量采集单元的输出性能对比。

最后，由于GHF引入的超疏水性能，柔性复合能量采集系统拥有防尘、自清洁、自封装等性能。在极端水蚀(粉尘污染)条件下，F-OSC的输出效率依然能保持初始状态的80% (75%)。

图4 柔性自清洁复合能量采集系统的封装功能和自清洁性能表征。（a）F-OSC的封装原理图和自清洗示意图；（b）柔性复合能量采集系统的能量管理电路；（c）具有平面PDMS和（f）具有GHF的F-OSC自清洁性能对比；具有GHF的F-OSC在经过10个周期的（e）污染和（f）再清洁依然可以保持较高的输出性能；（g）具有GHF的AS-TENG和（h）具有平面结构PDMS的AS-TENG在污染和清洗10个周期后的输出性能比较。

【总结与展望】

这项工作提供了一个打破环境限制的解决方案，从而最大限度地收集和转换环境中的可再生能源。研究结果可为可穿戴技术的自供电系统带来广阔的应用前景，显著提高复合电池在实际应用中的稳定性和可重复性。

相关研究得到国家科技部攻关项目、国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的支持。

【文章链接】Wearable and Self-Cleaning Hybrid Energy Harvesting System based on Micro/Nanostructured Haze Film. (Nano energy).

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104243