CN110932590A - 一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新型绿色可再生能源获取技术领域，公开了一种基于有机半导体薄膜柔性直流发电机，主要由柔性衬底上的两种有机半导体薄膜组成，因两种薄膜费米能级不同，在相互接触时，空间电荷充电形成耗尽层，相对滑动时，结区内扩散电流和漂移电流平衡被打破，耗尽层被破坏结区电荷放电，电荷在内建电场的作用下加速分离，从而对电子空穴在电极处进行较好收集、积累，输出电流电压，产生持续不断的直流电输出。本发明的基于的有机半导体薄膜为高效空穴或电子传输层，可以有效传输热载流子，从而将机械能转化为高电压与高密度电能输出，直接给各类电子设备和产品供电。

Description

一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机

技术领域

本发明涉及一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机及其制备方法，属于新型绿色可再生能源获取技术领域。

背景技术

21世纪，智能电子科技飞速发展，各类电子产品随时代脚步不断往微型、便携、可集成化方向发展，不断改变我们的日常生活工作方式。在智能电子产品与我们社会生活朝夕相伴的同时，大量的智能电子设备的能源问题扑面而来。各形各色的电子设备、电子产品需要持续的能源供给，对于传统的蓄电池等电源装置存在一定的使用期限以及需要频繁的更换，甚至存在着一定的安全隐患。对此，需找更加便捷、清洁、高效持续的能源作为供给，是未来电子产品发展所要追求更高品质所必须直面的问题。在解决能源问题发展的道路上，已经出现了一大批运用风能、太阳能、潮汐能、地热能等一大批能源转化装置，也有效地提供了大功率的电能供给。但对于市场上绝大部分的电子设备而言，这些发电装置进行微型可集成化还有一定的距离。在智能互联时代的到来，寻找便携式、微型可集成、便于直接供电的设备装置，显得尤为迫切。

2012年，摩擦发电机的出现，为智能电子设备能源供给问题带来了曙光，摩擦发电机在科学研究和社会生产应用都得到了较快的发展。但摩擦发电机由于其输出电流及功率较低、输出电流为交流形式，还存在材料特性的严格要求、器件结构的稳定性等多方面的因素影响，同时需要外接整流电路以及储能电路，不利于微型化集成，也阻碍了其进一步的发展和生产应用。对此，寻找一种便携式、可集成、输出高电压电流的能源转化器件显得尤为重要。本发明所阐述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，利用两种费米能级不同的有机半导体薄膜之间相互接触移动，产生直流电输出，不受环境因素影响，大大减少了对材料、结构及工作原理的限制。两种有机半导体薄膜在接触面形成一个PN结或肖特基结，结区形成强大的内建电场，滑动时可输出高功率密度的电信号。此外，由于有机半导体薄膜自身的优良性质，在滑动时，阻力小，不会在薄膜之间产生划痕，因而有机半导体薄膜可重复利用，产生连续的直流电输出。整个器件结构简单，制备工艺成熟，发电机输出稳定。有机半导体薄膜可以高效分离热电子，减少能量损耗，达到高电压输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机及其制备方法。

本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，该直流发电机由两部分组成，第一部分为第一柔性衬底，在其表面制有第一电极，第一电极表面制有第一有机半导体薄膜；第二部分为第二柔性衬底，在其正面制有第二有机半导体薄膜，在第二柔性衬底与第二有机半导体薄膜间制有第二电极，将第一、二两部分覆盖在一起，使得第一、第二有机半导体薄膜相互接触并相对滑动，即可输出直流电，得到柔性直流发电机。

上述技术方案中，所述的第一、第二柔性衬底选自氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的SnO₂导电玻璃(FTO)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性基底材料中的一种。

所述的第一有机半导体薄膜和第二有机半导体薄膜选自聚乙烯基咔唑(PVK)、聚[9,9-二辛基芴](PFO)、聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)、聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-co-并噻吩](PFB)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4'-(N-(4-正丁基)苯基)-二苯胺)](TFB)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-亚苯基乙撑)-alt-(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4二基)](PFOPV)等，且二者费米能级不同。有机半导体薄膜可以高效分离热电子，减少能量损耗，达到高电压输出。所用的有机半导体薄膜为高效的电子或空穴传输材料，二者接触后，在接触面上形成强大的内建电场，在外力作用下，结区内空间电荷产生充放电过程，移动时，耗尽层被破坏，在内建电场作用下漂移电荷被弹回，产生持续不断的直流电输出，得到柔性直流发电机。

所述的第一电极与第二电极为金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)、钛(Ti)、铂(Pt)和铝(Al)中的一种或几种，厚度为1-500nm。

所述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，可以广泛运用集成于智能电子设备等作为主要的能源单元，将环境中一种或几种机械能转换为电信号，输出电能。

所述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生的电信号为直流电信号，且具有极高的电流密度，比其他纳米发电机高几个数量级。

制备上述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机的方法，可以包括如下步骤：

1)在第一柔性衬底(1)正面制作有第一电极(2)；

2)在第一电极表面(2)的表面制作第一有机半导体薄膜(3)；

3)在第二柔性衬底(4)正面制作第二电极(6)；

4)在第二电极表面(6)表面制作第二有机半导体薄膜(5)

5)将第二柔性衬底(4)正面的第二有机半导体薄膜(5)压到第一有机半导体薄膜(3)上接触并滑动，得到一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，两者表面接触并相对滑动，形成动态的PN结或者肖特基结，在外力作用下，移动时，耗尽层被破坏，在内建电场作用下漂移电荷被弹回，产生持续不断的直流电输出，得到柔性直流发电机，即可产生直流电信号。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

传统的纳米发电机需使用压电半导体材料，且需要外加整流电路将交流电信号转化为直流电信号；而本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，且可直接输出直流电信号给外部电路或者给智能电子设备产品供电。有机半导体薄膜在滑动时，产生的阻力较小，不会对薄膜产生损坏，因而半导体薄膜可重复利用，产生连续的直流电输出。本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，巧妙地运用新型柔性材料，使得其可作为微型、可集成于穿戴设备等电子设备中，而不会由于褶皱、揉折等损坏器件。本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机结构简单、制作工艺成熟、器件工作稳定，可连续输出电流密度高、电压高的直流电信号。有机半导体薄膜可以高效分离热电子，减少能量损耗，达到高电压输出。

附图说明

图1为一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机的结构示意图；

图2为基于有机半导体薄膜PFO/有机半导体薄膜PVK的直流发电机输出电流随时间变化关系图；

图3为基于有机半导体薄膜PFO/有机半导体薄膜PVK的直流发电机的输出电压随时间变化关系图；

图4为基于有机半导体薄膜PFO/有机半导体薄膜PVK的直流发电机的电流电压输出随滑动速度的变化关系图；

图5为基于有机半导体薄膜PFO/有机半导体薄膜PVK的直流发电机的电流电压输出随压力变化关系图。

图6为基于有机半导体薄膜PCZ/有机半导体薄膜PVK的直流发电机的持续电压输出随时间的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，先在第一柔性衬底1表面制备第一电极2，在电极表面通过溶液旋涂法或者滴涂法制备第一有机半导体薄膜3；再在第二柔性衬底4正面制备第二电极6，在第二电极6表面通过旋涂法或者滴涂法制备费米能级不同的第二有机半导体薄膜5,；之后将第二有机半导体薄膜5压到第一有机半导体薄膜3上形成可移动的相互接触，即得到基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，两种半导体层之间相互移动即可得到直流电输出。本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，在两者接触面形成一个PN结或肖特基结，结区有强大的内建电场；当一种有机半导体薄膜在另一种有机半导体薄膜上滑动时，移动时，耗尽层被破坏，在内建电场作用下漂移电荷被弹回，产生持续不断的直流电输出，得到柔性直流发电机。本发明的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机可将环境中的机械能转化为高密度电能输出，提供给各类电子设备和产品。与传统的摩擦发电机、纳米发电机相比，本发明所阐述的发电机电流密度极高。而有机半导体薄膜在滑动时，界面阻力小，不会发生损坏，运用新材料特性，具有较好的柔性，不会由于褶皱、翻折对器件造成损坏，因而有机半导体薄膜在柔性衬底上可重复利用，产生连续的直流电输出。所需工艺流程和器件结构简单、成本低，未来可在智能穿戴式等电子设备中集成使用，从而实现工业化应用。有机半导体薄膜可以高效分离热电子，减少能量损耗，达到高电压输出。

实施例1：

1)取两块大小合适的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底，依次将衬底放入用丙酮溶液、乙醇溶液中对衬底表面进行清洗，除去附着于表面的杂质，并用N₂吹干；

2)在一块PET柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm银电极，在电极表面利用旋涂法制备聚乙烯基咔唑(PVK)有机半导体薄膜；

3)在另一块PET柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm银电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[9,9-二辛基芴](PFO)有机半导体薄膜；

4)将旋涂有PFO有机半导体薄膜的柔性衬底的正面压在旋涂有PVK有机半导体薄膜的柔性衬底的正面，接触并相互移动即可得到一个基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生电信号。

所述的有机半导体薄膜PFO/有机半导体薄膜PVK动态PN结直流发电机，是将有机半导体薄膜PFO压在有机半导体薄膜PVK表面，接触并相互移动即可得到基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机。电流、电压输出随时间变化图如图2、图3所示，考虑到本发明集成于电子设备或者智能可穿戴设备中时，我们分别改变了滑动速度和压力，得到的输出电压、电流随压力和速度变化的特性，如图4、图5所示。高分子薄膜具有较好的性能，可以重复利用，在一定范围内产生了稳定连续的直流电输出。同时，我们也注意到在一定范围内，滑动速度、压力越大，电流、电压也越大，电压最大可以达到1.2V，电流达到6μA左右，这一特性可以更好地说明本发明可以较好地集成于智能电子设备或可穿戴产品中。

实施例2：

1)取两块大小合适的氧化铟锡(ITO)柔性衬底，依次将衬底放入用丙酮溶液、乙醇溶液中对衬底表面进行清洗，除去附着于表面的杂质，并用N₂吹干；

2)在一块ITO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm银电极，再在电极表面利用旋涂法制备聚乙烯基咔唑(PVK)有机半导体薄膜；

3)在另一块PET柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm银电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)有机半导体薄膜；

4)将旋涂有PCZ有机半导体薄膜的柔性衬底的正面压在旋涂有PVK有机半导体薄膜的柔性衬底的正面，接触并相互移动即可得到一个基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生电信号。

所述的PCZ有机半导体薄膜/PVK有机半导体薄膜动态PN结直流发电机，将有机半导体薄膜PCZ压在有机半导体薄膜PVK上，接触并相互移动即可输出电信号。其电压输出随时间变化图如图6所示，最大发电电压可以达到12V左右，比传统无机半导体薄膜或者金属膜高一个数量级。

实施例3：

1)取两块大小合适的氧化铟锡(ITO)柔性衬底，依次将衬底放入用丙酮溶液、乙醇溶液中对衬底表面进行清洗，除去附着于表面的杂质，并用N₂吹干；

2)在一块ITO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)有机半导体薄膜；

3)在另一块ITO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)有机半导体薄膜；

4)将旋涂有PCZ有机半导体薄膜的柔性衬底的正面压在旋涂有MEH-PPV有机半导体薄膜的柔性衬底的正面，接触并相互移动即可得到一个基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生电信号。

实施例4：

1)取两块大小合适的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底，依次将衬底放入用丙酮溶液、乙醇溶液中对衬底表面进行清洗，除去附着于表面的杂质，并用N₂吹干；

2)在一块ITO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-co-并噻吩](PFB)有机半导体薄膜；

3)在另一块ITO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)有机半导体薄膜；

4)将旋涂有PCZ有机半导体薄膜的柔性衬底的正面压在旋涂有PFB有机半导体薄膜的柔性衬底正面，接触并相互移动即可得到一个基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生电信号。

实施例5

1)取两块大小合适的掺杂氟的SnO2导电玻璃(FTO)柔性衬底，依次将衬底放入用丙酮溶液、乙醇溶液中对衬底表面进行清洗，除去附着于表面的杂质，并用N₂吹干；

2)在一块FTO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极表面利用旋涂法制备聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4'-(N-(4-正丁基)苯基)-二苯胺)](TFB)有机半导体薄膜；

3)在另一块FTO柔性衬底上选取一面为正面，在表面制作电极，材质为50nm金电极，在电极利用旋涂法制备聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)有机半导体薄膜；

4)将旋涂有PCZ有机半导体薄膜的柔性衬底的正面压在旋涂有TFB有机半导体薄膜的柔性衬底的正面，接触并相互移动即可得到一个基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，产生电信号。

经大量实验研究发现，本发明的基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，通过利用柔性衬底，有机半导体薄膜旋涂于衬底之上，不同费米能级的有机半导体薄膜相互接触并相对滑动，大量实验表明，有机半导体薄膜形成的柔性直流发电机能持续输出高电流电压，在不同压力和速度情况下有一定范围变化，能够较好地集成运用于智能可穿戴设备，为其电子产品提供直接的电能。

本发明通过在柔性衬底上制备高分子薄膜，薄膜易于大批量制备，与传统电磁发电机比，不需要大体积线圈，可以做到微型化、轻质化，可以作为便携式能源。且通过换用不同的有机半导体薄膜，利用其材料自身费米能级差异，可以调节柔性直流发电机产生的电压、电流；基于在柔性衬底上制备的有机半导体薄膜，该柔性直流发电机可以集成应用于各种智能穿戴设备，作为智能穿戴设备的直接能源；基于柔性衬底上的有机半导体薄膜，其表面结构完整，相对光滑，相互接触、滑动，阻力小，不会在薄膜表面留下划痕，使得半导体薄膜表面仍具有完整的结构，因而半导体材料可重复利用，产生连续的直流电输出。

Claims (4)

1.一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，其特征在于，该直流发电机由两部分组成，第一部分为第一柔性衬底(1)，在其表面制有第一电极(2)，第一电极表面制有第一有机半导体薄膜(3)；第二部分为第二柔性衬底(4)，在其正面制有第二有机半导体薄膜(5)，在第二柔性衬底与第二有机半导体薄膜间制有第二电极(6)，将第一、二两部分覆盖在一起，使得第一、第二有机半导体薄膜相互接触并相对滑动，即可输出直流电，得到柔性直流发电机；

所述的第一有机半导体薄膜(3)和第二有机半导体薄膜(5)选自聚乙烯基咔唑(PVK)、聚[9,9-二辛基芴](PFO)、聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑](PCZ)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)、聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-co-并噻吩](PFB)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4'-(N-(4-正丁基)苯基)-二苯胺)](TFB)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-亚苯基乙撑)-alt-(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4二基)](PFOPV)，且二者费米能级不同。

2.根据权利要求1所述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，其特征在于，所述的第一柔性衬底(1)、第二柔性衬底(4)选自氧化铟锡(ITO)、掺氟的SnO₂导电玻璃(FTO)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机，其特征在于，所述的第一电极(2)和第二电极(6)均选自金、铜、银、钛、铂和铝中的一种或几种，厚度为1-500nm。

4.一种智能可穿戴设备，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的基于有机半导体薄膜的柔性直流发电机制得，将所述的第一部分及第二部分分别进行穿戴，通过肢体运动使第一、第二有机半导体薄膜相互接触并不断发生摩擦，将机械能转化为电能。

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