CN113106599A - 一种直流发电布 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流发电布，包括纤维织物和滑动起电层，其中，纤维织物包括层叠的纤维、电极金属层和半导体层，其中，电极金属层与所述半导体层形成欧姆接触；滑动起电层的材料为与半导体层形成肖特基结的金属，滑动起电层在纤维织物的半导体层表面滑动，在滑动起电层和电极金属层之间产生直流输出信号。该发电布为柔性结构的直流发电机，可以作为可穿戴器件将机械能转变为直流电信号。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子器件领域，尤其涉及一种直流发电布。
背景技术
柔性电子技术，一般将有机或无机材料电子器件制作在柔性基底或可延性塑料或薄金属基板上，具有独特的柔性、延展性及高效低成本制造工艺的特点，因此柔性电子产品在信息技术、能源、可穿戴电子产品等领域具有广泛的应用前景。柔性电子产品均需要外接电源供电，柔性的发电技术仍然是该领域的瓶颈。
将机械能转换为电能的发电技术，通常输出为交流电，需使用机械结构设计(例如电刷)从而产生直流电，或者需要复杂的管理电路实现交直流转换和功率优化，在柔性电子领域的应用不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需外接电源，可以收集机械能进行发电的柔性直流发电布。
为了实现上述目的，本发明提供一种直流发电布，包括纤维织物和滑动起电层，其中，
所述纤维织物包括层叠的纤维、电极金属层和半导体层，其中，所述电极金属层与所述半导体层形成欧姆接触；
所述滑动起电层的材料为与所述半导体层形成肖特基结的金属，所述滑动起电层在所述纤维织物的半导体层表面滑动，在所述滑动起电层和电极金属层之间产生直流输出信号。
优选的，所述电极金属层的材料为金属镍、金、银或铂。
优选的，所述滑动起电层2的材料为金属或者非金属。
优选的，所述滑动起电层2的材料为金属铁、钛或石墨烯。
优选的，所述半导体层为有机半导体，或者无机半导体材料。
优选的，所述半导体层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚苯胺、石墨烯或二硫化钼。
优选的，所述半导体层为P型Si或N型Si。
优选的，所述电极金属层的厚度范围为0.1μm-0.12mm；所述半导体层的厚度范围为0.3μm-2.4mm。
优选的，所述纤维织物的结构为，所述纤维作为芯层，所述电极金属层与半导体层包覆在所述纤维上。
优选的，所述纤维织物的结构为所述纤维编织形成纤维层，所述电极金属层与半导体层覆盖在所述纤维层上。
本发明的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
通过化学的方法将电极金属层20镀在纤维织物(比如棉织物、涤纶织物等)上，形成导电的织物电极，再将半导体涂覆在导电织物表面，形成半导体层，再选用合适的金属作滑动起电层2，也作电极。电极金属层20和半导体层形成欧姆结，电极金属层20与半导体层30形成肖特基结，这样的结构形成了肖特基结电子器件，总体上构成柔性的直流发电机。该发电布的材料来源广泛，结构简单，生产工艺简单。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1至图3为本发明直流发电布的结构示意图；
图4为本发明直流发电布的发电原理图；
图5为本发明直流发电布实施例的发电测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的直流发电布的结构参考图1和图2，所述直流发电布，包括纤维织物1和滑动起电层2，其中，纤维织物1包括层叠的纤维10、电极金属层20和半导体层30，其中，电极金属层20与半导体层30形成欧姆接触。滑动起电层2的材料为与半导体层30形成肖特基结的金属，滑动起电层2在纤维织物的半导体层30表面滑动，能在滑动起电层2和电极金属层20之间产生直流输出信号。
纤维织物1的具体结构可以为如图1中所示，纤维10作为芯层，形成欧姆接触的电极金属层20与半导体层30包覆在纤维10上。
纤维织物1的结构还可以为纤维10编织形成纤维层，形成欧姆接触的电极金属层20与半导体层30覆盖在纤维层上。
滑动起电层2在纤维织物的半导体层30表面滑动的方式不做具体限定，只要是在半导体层30表面滑动即可，可以为如图2中的来回滑动或者图3中的转圈的持续滑动，或者其他滑动方式。
本发明提供的直流发电布的发电原理参见图4所示，当滑动起电层2(如铝)与涂有半导体的纤维织物接触时，由于电极金属层20(如镍)的功函数比半导体(以空穴为多数载流子的p型半导体PEDOT(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))材料为例)的功函数小，所以电极金属层20中费米能级比半导体层30的费米能级高，那么金属中高能的电子倾向于扩散到半导体侧来寻求能量低的空能级，半导体表面就会积累电子呈现带负电，而金属侧则带正电，从而在半导体表面薄的空间电荷区建立从金属指向半导体的内建电场。在内建电场的作用下，半导体侧的电子向金属侧漂移，从金属向半导体扩散的电子与从半导体侧向金属漂移的电子达到平衡时，费米能级对齐。与此同时半导体的能带在空间电荷区向下弯曲。只要滑动起电层2保持静止，外电路中就不会产生电流。一旦金属2在纤维织物上滑动产生相对位移，界面摩擦在空间电荷区产生非平衡载流子，界面摩擦产生的能量被电子吸收从而跃迁到半导体的LUMO能级上，并沿着内建电场的方向漂移，同时诱导的空穴沿内建电场的方向漂移。表面态的电子吸收摩擦能可以跃迁到更高的能级，从而有机会隧穿到电极金属层20侧。由于非平衡载流子的激发，半导体的费米能级下降，形成电极金属层20金属与半导体之间的势能差，从而对外电路做功。因此，当电极金属层20与涂有半导体层的纤维结构之间有相对滑动运动时，电流从滑动起电层2(电极)流向电极金属层20。
上述发电原理可以简述为当电极金属层20与半导体层30形成肖特基结时，由于两者功函数的差异会导致电子扩散，建立内建电场，在内建电场的作用下电子会漂移，当电子的扩散和漂移达到动态平衡时，两者费米能级对准。随着滑动起电层2滑动，滑动起电层2与半导体层30产生相对位移，在界面上由于摩擦能，在动态的金属半导体界面产生的非平衡载流子在内建电场作用下分离，流经外电路形成直流输出。
电极金属层20和半导体层30形成欧姆接触，电极金属层20不局限于金属镍,可以为其它金属，如金、银、铂等。电极金属层20的厚度范围可以为0.1μm-0.12mm；半导体层30的厚度范围可以为0.3μm-2.4mm。
半导体层30可以为PEDOT，也可以为其它性质类似的半导体材料，如聚吡咯、聚苯胺等有机半导体，或者为石墨烯、二硫化钼等二维无机半导体材料。
滑动起电层2的材料不局限于金属铝，可以为其它金属或者非金属，能与半导体层30形成肖特基结即可，比如金属铁、钛、石墨烯等。滑动起电层2的表面结构为平整的表面，半导体层的表面也尽量为平整的表面。
本发明提供的直流发电布结构，可以形成肖特基接触与欧姆接触，形成具有整流特性的发电机器件。通过构建直流发电机结构，可以收集机械能如人体活动能量转化为电能，从而产生直流输出。
本发明提供的直流发电布的制备方法如下。
选用半导体材料，比如PEDOT(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩))、聚吡咯、聚苯胺、二硫化钼等半导体作为中间的半导体层30。根据半导体材料自身的HOMO(即分子的最高占据轨道)、LUMO(分子的最低空轨道)能级及功函数，选用两种跟其功函数匹配能形成肖特基结和欧姆结的金属，将其中一种能形成欧姆结的金属用化学镀或电镀的方法镀在纤维10(或者纤维10编织的纤维层)上作电极金属层20，之后将半导体材料通过浸涂或涂层整理的方法涂覆在纤维10上，另外能与半导体形成肖特基结的金属作滑动起电层2，同时也作电极。
由于半导体和纤维织物的良好结合与透气性，选用一种金属形成一种肖特基结的电子器件，滑动另一种金属从而形成了一种具有柔性的可产生直流输出的发电布。该技术材料来源广泛，结构简单，生产工艺简单。
下面以一个具体示例展示直流发电布的制备过程。
通过化学的方法将电极金属层20镀在纤维织物(比如棉织物、涤纶织物等)上，形成导电的织物电极，再将半导体涂覆在导电织物表面，形成半导体层，再选用合适的金属作滑动起电层2，也作电极。电极金属层20和半导体层形成欧姆结，电极金属层20与半导体层30形成肖特基结，这样的结构形成了肖特基结电子器件，总体上构成柔性的直流发电机。
电极金属层20采用镍(Ni)，滑动起电层2采用铝为例，具体制备步骤如下：
(1)配制化学镀Ni的溶液。准备三种溶液：氯化锡、氯化钯和硫酸镍溶液。氯化锡组成为10g·L-1SnCl2和40mL·L-1 38％HCl。氯化钯组成为0.5g·L-1PdCl2和20mL·L-138％HCl。硫酸镍溶液组成为3.5g NiSO4·6H2O、5g NaH2PO4·H2O、3g柠檬酸、6g硼酸，溶于200ml去离子水中，用10％NaOH溶液调节PH值至8。
(2)采用化学镀镍的方法制备镀镍的导电织物。首先将纤维层织物在酒精中超声清洗10分钟，然后用去离子水冲洗干净，用吹风吹干。将干净的织物分别浸入氯化锡和氯化钯溶液中，室温下各浸泡5分钟，取出用去离子水冲洗掉表面多余的溶液，接着将织物完全浸泡到新制的硫酸镍溶液中，在室温下放置24小时。取出后用去离子水轻轻冲洗织物表面，然后自然晾干。
(3)在导电织物上浸涂半导体层。将半导体PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))溶液与去离子水按照2:1的比例稀释，超声分散1小时。将镀有金属的导电织物预留一定面积的导电织物不浸涂溶液，剩余部分浸泡在稀释后的半导体溶液中，上下表面分别浸泡3分钟，接着在60℃的鼓风烘箱中放置20分钟烘干。将浸涂的过程重复三次，得到良好接触和涂覆半导体的导电织物。
(4)组成直流发电布的发电机结构。如图2所示，将预留的未涂覆半导体的镀镍织物用作电极金属层20，金属铝用作滑动起电层2，同时也作电极层。滑动起电层2在织物上运动可以是来回滑动的模式，也可以是圆周滑动的持续性运动模式，如图2和3所示。当面积为1cm2的金属铝圆片在涂覆半导体PEDOT:PSS的织物上持续滑动时，会产生从金属镍流向金属铝的直流电输出，如图5所示，该厕所数据中发电布的电压电流输出的测试由静电计keithley6517B测出。通过电流源表2450测IV曲线来确定金属半导体之间是肖特基结还是欧姆结。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种直流发电布，其特征在于，包括纤维织物和滑动起电层，其中，
所述纤维织物包括层叠的纤维、电极金属层和半导体层，其中，所述电极金属层与所述半导体层形成欧姆接触；
所述滑动起电层的材料为与所述半导体层形成肖特基结的金属，所述滑动起电层在所述纤维织物的半导体层表面滑动，在所述滑动起电层和电极金属层之间产生直流输出信号。
2.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述电极金属层的材料为金属镍、金、银或铂。
3.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述滑动起电层2的材料为金属或者非金属。
4.根据权利要求3所述的发电布，其特征在于，所述滑动起电层2的材料为金属铁、钛或石墨烯。
5.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述半导体层为有机半导体，或者无机半导体材料。
6.根据权利要求5所述的发电布，其特征在于，所述半导体层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、聚苯胺、石墨烯或二硫化钼。
7.根据权利要求5所述的发电布，其特征在于，所述半导体层为P型Si或N型Si。
8.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述电极金属层的厚度范围为0.1μm-0.12mm；所述半导体层的厚度范围为0.3μm-2.4mm。
9.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述纤维织物的结构为，所述纤维作为芯层，所述电极金属层与半导体层包覆在所述纤维上。
10.根据权利要求1所述的发电布，其特征在于，所述纤维织物的结构为所述纤维编织形成纤维层，所述电极金属层与半导体层覆盖在所述纤维层上。
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