CN114268236A - 复合微纳能源装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种复合微纳能源装置，包括垂直层状堆叠的第一能源收集单元、第二能源收集单元和第三能源收集单元，其中，第一能源收集单元和第二能源收集单元具有共用电极，第一能源收集单元、第二能源收集单元和第三能源收集单元共用基底，第三能源收集单元收集的能源不同于第一能源收集单元及第二能源收集单元。本申请通过共用基底和电极层，可以减小装置的集成厚度和重量，同时通过将复合微能源装置的材料采用垂直层状堆叠，可以有效提升单位面积能量收集效率，适用于微小型电子设备。
Description
技术领域
本申请属于新能源技术领域，具体涉及一种复合微纳能源装置。
背景技术
随着世界进入物联网和人工智能时代，微电子器件越来越小型化、可移动和多功能快速发展，用传统电池来驱动未来遍布全球的整个传感网络已不可能。因此，物联网的成功迫切需要发展分布式移动纳米能源。分布式纳米能源包括单类能源和复合能源，能够将单类能源或多类能源转换为电能。例如：太阳能、地热能、风能、水能或机械触发/振动等。然而，现有的复合能源是将多个单类能源集成在一起，例如：层叠复合或者简单机械性组装互联，单体功能和结构均保持独立，导致能源系统的体积、质量较大，单位面积能量收集效率不高，不利于微小型电子设备使用。
发明内容
本申请的目的是提供一种复合微纳能源装置，该装置有利于减小集成厚度和重量，提升单位面积能量收集效率，从而可以适用于微小型电子设备。
根据本申请实施例，提供一种复合微纳能源装置，包括基底和多个能源收集单元，所述多个能源收集单元包括第一工作层、第二工作层、第一电极层、第二电极层和共用电极层；其中：
至少部分所述第一工作层的材料不同于第二工作层的材料；
沿垂直于所述基底的方向，所述第一电极层、所述第一工作层、所述共用电极层、所述第二工作层和所述第二电极层层叠设置在所述基底表面；
所述共用电极层与所述第一工作层、所述第一电极层构成第一能源收集单元；所述共用电极层还与所述第二工作层、所述第二电极层构成第二能源收集单元；
所述多个能源收集单元还包括第三能源收集单元，所述第三能源收集单元与所述第一能源收集单元、所述第二能源收集单元层叠设置，且所述第三能源收集单元收集的能源不同于所述第一能源收集单元及所述第二能源收集单元。
可选的，所述多个能源收集单元至少用于获取热能和机械能。
可选的，所述第一工作层的材料为至少具有热释电效应的柔性高聚物材料；
当所述第一工作层温度升高时，所述第一电极层和所述共用电极层之间电子移动形成电流。
可选的，所述第一工作层的材料还具有压电效应；
当所述第一工作层受到挤压时，所述第一电极层和所述共用电极层之间电子移动形成电流。
可选的，所述第二工作层的材料为至少具有强得电子能力的摩擦起电效应的柔性高聚物材料；
所述共用电极层与所述第三表面之间具有间隙；
当所述第二工作层与所述共用电极层摩擦时，所述共用电极层和所述第二电极层之间存在电势差形成电流。
可选的，所述第二工作层的材料还具有压电效应；
当所述第二工作层与所述共用电极层接触时，所述共用电极层和所述第二电极层之间存在电势差形成电流。
可选的，所述多个能源收集单元还包括支撑件，所述支撑件设于所述共用电极层与所述第三表面之间，用于分隔所述共用电极层与第二工作层。
可选的，所述第三能源收集单元用于收集光能，所述第三能源收集单元包括第三工作层、第三电极层和第四电极层；
沿垂直于所述基底的方向，所述第三电极层、第三工作层和所述第四电极层层叠设置在所述基底表面；
当所述第三工作层吸收光时，所述第三电极层和所述第四电极层之间电子移动形成电流。
可选的，所述基底具有正面和背面，所述第一能源收集单元和所述第二能源收集单元位于所述基底的背面，所述第三能源收集单元位于所述基底的正面。
可选的，所述基底为柔性高聚物材料。
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本申请实施例的复合微纳能源装置，其能源收集单元共用基底和电极层，有利于减小装置的集成厚度和重量，能够减轻电子设备的负担和能耗，同时通过将复合微能源装置的材料采用垂直层状堆叠，可以有效提升单位面积能量收集效率，从而可以适用于微小型电子设备。
附图说明
图1是本申请示例性实施例中一种复合微纳能源装置的结构示意图；
图2是本申请示例性实施例中第一能源收集单元的结构示意图；
图3是本申请示例性实施例中第二能源收集单元的结构示意图；
图4是本申请示例性实施例中第三能源收集单元的结构示意图；
图5a～5h是本申请示例性实施例中第一能源收集单元的工作示意图；
图6a～6d是本申请示例性实施例中第二能源收集单元的工作示意图。
图中，1、基底；2、第一工作层；3、第二工作层；4、第一电极层；5、第二电极层；6、共用电极层；7、间隙；8、支撑件；9、第三工作层；91、空穴传输层；92、光吸收层；93、电子传输层；10、第三电极层；11、第四电极层。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1-3所示，本申请实施例提供一种复合微纳能源装置，包括基底1和多个能源收集单元，所述多个能源收集单元包括第一工作层2、第二工作层3、第一电极层4、第二电极层5和共用电极层6；其中：至少部分所述第一工作层2的材料不同于第二工作层3的材料；沿垂直于所述基底1的方向，所述第一电极层4、所述第一工作层2、所述共用电极层6层、所述第二工作层3和所述第二电极层5叠设置在所述基底1表面；所述共用电极层6与所述第一工作层2、所述第一电极层4构成第一能源收集单元；所述共用电极层6还与所述第二工作层3、所述第二电极层5构成第二能源收集单元；所述多个能源收集单元还包括第三能源收集单元，所述第三能源收集单元与所述第一能源收集单元、所述第二能源收集单元层叠设置，且所述第三能源收集单元收集的能源不同于所述第一能源收集单元及所述第二能源收集单元。这三种能源收集单元共用基底1和电极层，有利于再保证结构强度的同时减小结构的集成厚度和重量，能够减轻电子设备的负担和能耗，从而可以适用于微小型电子设备。此外，这三种能量收集单元可以分别用于收集不同的能源，例如，第一工作层2的材料包括热释电材料，第一能源收集单元可以形成热释电发电机，收集热能；第二工作层3的材料包括压电材料，第二能源收集单元可以形成压电纳米发电机，收集机械能；第三工作层9的材料包括光电材料，第三能源收集单元可以形成光伏电池，收集光能。因此，通过将复合微能源装置的材料采用垂直层状堆叠，可以有效提升单位面积能量收集效率。
在一些实施例中，所述多个能源收集单元至少用于获取热能和机械能。示例性的，所述第一能量收集单元用于进行热能的获取与转换，所述第二能量收集单元用于进行机械能的获取与转换。进一步的，所述第一能量收集单元和所述第二能量收集单元中的部分或全部可以同时进行热能及机械能的获取和转换。
如图2所示，在一些实施例中，所述第一工作层2的材料为至少具有热释电效应的柔性高聚物材料；当所述第一工作层2温度升高时，所述第一电极层4和所述共用电极层6之间电子移动形成电流。
进一步的，所述第一工作层2的材料还具有压电效应；当所述第一工作层2受到挤压时，所述第一电极层4和所述共用电极层6之间电子移动形成电流。
在一些实施例，第一工作层2具体可以是正向极化后的聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜，第一电极层4和共用电极层6可以选用Al、Cu等失电子能力强的金属材料。
如图5所示，当环境温度保持不变(室温)时，第一工作层2的偶极子自发极化强度不变，外界电路无电流形成，如图5a所示。随着太阳照射时间和强度的增大，外界温度升高，随着第一工作层2的温度逐步上升，电偶极子会以一个更大的角度沿着各自的平衡轴摆动，导致自发极化强度减弱。由于第一电极层4和共用电极层6上感应电子随第一工作层2中的电偶极子的自发极化强度的减弱而减少，电子就沿着外部电路从第一电极层4流向共用电极层6中，产生电流，如图5b所示。当温度上升到一定数值后，第一工作层2的温度不随时间发生变化，达到一个稳定值，此时电偶极子的自发极化强度达到最弱，外部电路无电子流动，如图5c所示。当傍晚到临，外界环境温度随着太阳光强度减弱而降低，第一工作层2的温度逐步降低，电偶极子就以一个较小的角度沿着各自的平衡轴摆动，引起自发极化强度的增强，进而使得第一电极层4和共用电极层6上的感应电子增多，电子就沿着外部电路从共用电极层6流向第一电极层4中，产生电流，如图5d所示。当第一工作层2和外界温度保持一致不随时间变化发生变化时，重新回到初始状态。
常态下第一能量收集单元的形状不变，不产生电流，如图5e所示。在外部压力下，第一工作层2被挤压，第一电极层4和共用电极层6上的感应电子增多，为平衡额外的极化密度，电子沿着外部电路从第一电极层4流向共用电极层6，产生电流，如图5f所示。直到第一能量收集单元达到最大的法向力，体系达到平衡，如图5g所示。当外部压力减小，则引起电子的回流来平衡极化强度的改变，如图5h所示。待应力消失后，第一能量收集单元恢复到原始状态，此时外部电路无电流形成。因此，该复合微纳能源装置的一个能源收集单元不仅可以实现热能的获取与转换，还能获取并转换机械能。
因此，采用同时具有热释电效应和压电效应的第一工作层2，可以额外获取机械能，提高输出性能。
如图3所示，在一些实施例中，所述第二工作层3的材料为至少具有强得电子能力的摩擦起电效应的柔性高聚物材料；所述共用电极层6与所述第三表面之间具有间隙7；当所述第二工作层3与所述共用电极层6摩擦时，所述共用电极层6和所述第二电极层5之间存在电势差形成电流。
进一步的，所述第二工作层3的材料还具有压电效应；当所述第二工作层3与所述共用电极层6接触时，所述共用电极层6和所述第二电极层5之间存在电势差形成电流。
在一些实施例中，第二工作层3具体可以是具有压电效应的聚合物薄膜如PVDF，也可将压电材料混入PDMS等介电材料中，其中压电材料可以选用GaN、ZnO、BaTiO3等，结构可为纳米颗粒、纳米线等。第二电极层5可以选用各类金属材料、石墨烯、碳纳米管等导电材料。其中，共用电极和第二工作层3的电负性存在差异。
进一步的，为了提高发电机的输出性能，可以在第二工作层3和/或共用电极层6的表面设置微米或次微米量级的微结构阵列，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。
如图6所示，常态下，共用电极和第二工作层3之间具有间隙7，如图6a所示。在受到弯折或垂直压力过程中，共用电极和第二工作层3作为两个摩擦层，不断发生接触分离。由于摩擦起电效应，当两个摩擦层刚刚相互接触时，由于二者的电负性差异，共用电极层6的电子会转移到第二工作层3表面，从而使共用电极层6带正电，第二工作层3接触表面带负电，基于静电感应，第二工作层3背面带正电，进一步可知第二电极层5带负电，因此两电极间有摩擦电势差，电子沿着外部电路第二电极层5流向共用电极层6，如图6b所示。当外加压力继续增大时，第二工作层3受到挤压发生形变，如图6c所示，此时摩擦电势差依然存在，同时第二工作层3因为受到形变产生压电电子，当对第二工作层3进行正向极化时，压电电势与摩擦电势方向相同，此时外电路中的输出电流包括了摩擦电势差产生的电流与压电电势差产生的电流两部分。当压力减小，第二工作层3不断逐渐恢复到原始状态，此时压电电势逐渐减小，压电电势差产生的电子发生回流，达到最初的平衡，也在外电路形成反向的压电电流，如图6d所示。直到两摩擦层完全分离，摩擦感应产生的摩擦电子也发生反向流动，达到最初的平衡状态，此时外电路形成反向摩擦电流。
在一些实施例中，所述多个能源收集单元还包括支撑件8，所述支撑件8设于所述共用电极层6与所述第三表面之间，用于分隔所述共用电极层6与第二工作层3。
其中，支撑件8采用聚合物材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺或聚氯乙烯等弹性材料，可以在多次变形后仍然保持原始形状。
在一些实施例中，所述第三能源收集单元用于收集光能，所述第三能源收集单元包括第三工作层9、第三电极层10和第四电极层11，沿垂直于基底1的方向，所述第三电极层10、所述第三工作层9和所述第四电极层11层叠设置在所述基底1表面；当所述第三工作层9吸收光时，所述第三电极层10和所述第四电极层11之间电子移动形成电流。
如图4所示，示例性的，第三工作层9包括沿垂直于基底1方向依次设置的空穴传输层91、光吸收层92和电子传输层93，空穴传输层91、光吸收层92和电子传输层93配合第三电极层10和第四电极层11构成太阳能电池。其中，太阳能电池可选择但不限于柔性聚合物电池和柔性钙钛矿电池。具体而言，当选择柔性聚合物电池时，第三电极层10可选择透明金属电极材料包括氧化铟锡，第四电极层11可以选择金属电极如Al膜，空穴传输层91可选择LiF、MoO3、WO3、V2O5、CsCO3、TiO2等材料，光吸收层92材料结构可选择P3HT:PCBM，电子传输层93可选择PEDOT:PSS。当太阳能电池采用柔性钙钛矿太阳能电池时，第三电极层10可以选择透明导电电极制备，包括ITO、FTO等，第四电极层11可以选择金属制备，空穴传输层91可以选择Spiro-OMe TAD制备，光吸收层92、电子传输层93可以选择TiO2、PC61BM等制备。为保证太阳光可以透过第三电极层10进入光吸收层92，第三电极层10可以采用栅状电极结构。
如图1所示，在一些实施例中，所述基底1具有正面和背面，所述第一能源收集单元和所述第二能源收集单元位于所述基底1的背面，所述第三能源收集单元位于所述基底1的正面。
在一些实施例中，所述基底1为柔性高聚物材料。例如，基底1具体是PET、PEN、Kapton、PI等材料中的一种或多种。该基底1结合使用柔性材料制备的各种电极层和工作层，可以满足狭窄空间的安装，具有广阔的应用范围，例如，安装在微小型无人机的不平整机身表面、军事和医疗领域的纳米机器人上等。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (10)
1.一种复合微纳能源装置，其特征在于，包括基底(1)和多个能源收集单元，所述多个能源收集单元包括第一工作层(2)、第二工作层(3)、第一电极层(4)、第二电极层(5)和共用电极层(6)；其中：
至少部分所述第一工作层(2)的材料不同于第二工作层(3)的材料；
沿垂直于所述基底(1)的方向，所述第一电极层(4)、所述第一工作层(2)、所述共用电极层(6)层、所述第二工作层(3)和所述第二电极层(5)层叠设置在所述基底(1)表面；
所述共用电极层(6)与所述第一工作层(2)、所述第一电极层(4)构成第一能源收集单元；所述共用电极层(6)还与所述第二工作层(3)、所述第二电极层(5)构成第二能源收集单元；
所述多个能源收集单元还包括第三能源收集单元，所述第三能源收集单元与所述第一能源收集单元、所述第二能源收集单元层叠设置，且所述第三能源收集单元收集的能源不同于所述第一能源收集单元及所述第二能源收集单元。
2.如权利要求1所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述多个能源收集单元至少用于获取热能和机械能。
3.如权利要求2所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述第一工作层(2)的材料为至少具有热释电效应的柔性高聚物材料；
当所述第一工作层(2)温度升高时，所述第一电极层(4)和所述共用电极层(6)之间电子移动形成电流。
4.如权利要求3所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述第一工作层(2)的材料还具有压电效应；
当所述第一工作层(2)受到挤压时，所述第一电极层(4)和所述共用电极层(6)之间电子移动形成电流。
5.如权利要求2所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述第二工作层(3)的材料为至少具有强得电子能力的摩擦起电效应的柔性高聚物材料；
所述共用电极层(6)与所述第三表面之间具有间隙(7)；
当所述第二工作层(3)与所述共用电极层(6)摩擦时，所述共用电极层(6)和所述第二电极层(5)之间存在电势差形成电流。
6.如权利要求5所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述第二工作层(3)的材料还具有压电效应；
当所述第二工作层(3)与所述共用电极层(6)接触时，所述共用电极层(6)和所述第二电极层(5)之间存在电势差形成电流。
7.如权利要求5所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述多个能源收集单元还包括支撑件(8)，所述支撑件(8)设于所述共用电极层(6)与所述第三表面之间，用于分隔所述共用电极层(6)与第二工作层(3)。
8.如权利要求1所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述第三能源收集单元用于收集光能，所述第三能源收集单元包括第三工作层(9)、第三电极层(10)和第四电极层(11)；
沿垂直于所述基底(1)的方向，所述第三电极层(10)、第三工作层(9)和所述第四电极层(11)层叠设置在所述基底(1)表面；
当所述第三工作层(9)吸收光时，所述第三电极层(10)和所述第四电极层(11)之间电子移动形成电流。
9.如权利要求8所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述基底(1)具有正面和背面，所述第一能源收集单元和所述第二能源收集单元位于所述基底(1)的背面，所述第三能源收集单元位于所述基底(1)的正面。
10.如权利要求1所述的复合微纳能源装置，其特征在于，所述基底(1)为柔性高聚物材料。
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