一种基于高性能透明摩擦电纳米发电机的太阳能-水能混合能源收集器，适用于各种天气条件

《Nano Energy》：A High-Performance Transparent Triboelectric Nanogenerator-Based Solar-Hydro Hybrid Energy Collector for All-Weather Utilization

海洋监测设备供电问题可通过太阳能电池与摩擦纳米发电机（TENG）结合解决。本研究开发了一种高透明、疏水的PDMS/Ag NWs/PFA薄膜（PAP薄膜），其双电极TENG性能显著提升，开路电压达1100V，短路电流4μA，转移电荷263nC。进一步集成雨滴发电机（DEG）与封装太阳能电池，形成混合能源系统，可在10秒内为33μF电容器充电至3V，并驱动小型电子设备，验证多能源协同的有效性，为海洋清洁能源收集提供新思路。

　　

Linnan Zhang|Guizhong Li|Yong Lei|Tong Zheng|Leiqing Chen|Yuanhao Cheng|Wenhao Huang|Jun Wang|Binbin Zhang|Yan Ren|Yuanhao Wang|Ya Yang

温州大学机电工程学院，中国温州325035

摘要

海洋资源丰富且至关重要，因此有必要对其进行监测以充分利用这些资源。然而，监测设备通常分散在海面上，远离陆地，面临着供电和电池寿命短的问题。将太阳能电池（SC）与摩擦电纳米发电机（TENGs）结合使用是一种可行的解决方案，因为TENGs可以在夜间和雨天弥补太阳能电池的不足。本文报道了一种经济高效的方法，用于制备高透明度和疏水性的PDMS/Ag纳米线/PFA薄膜（PAP薄膜）。基于PAP薄膜的双电极TENGs的开路电压为1100 V，短路电流为4 μA，转移电荷量为263 nC。此外，还开发了一种基于PAP薄膜的液滴发电机（DEG），并将其与封装的太阳能电池集成在一起，形成了一个能够捕获雨水、海浪和太阳能的混合能量收集装置。与未封装的太阳能电池相比，这种封装后的太阳能电池的输出能量提高了17%。在波浪和太阳能共同作用的情况下，该装置可以在10秒内将33 μF的电容器充电至3 V，同时，这种混合能量收集系统能够成功连续驱动一个小电子仪表，表明了多能量整合的可行性，并为在自然环境中收集清洁能源提供了新的见解。

部分内容摘要

引言

利用简单高效的能量转换装置从自然界中获取可再生能源是应对能源和环境挑战的一种有前景的方法[1],[2],[3],[4]。光伏太阳能电池因其易于捕获能量、高效率和低维护成本而受到青睐。然而，太阳能电池的缺点是需要较大的土地面积来提高能量输出。鉴于海洋覆盖了地球表面的71%[5]，在海上部署太阳能电池

结果与讨论

首先，图1展示了PAP薄膜的制备过程，并对其表面形态进行了研究。图2a展示了PAP薄膜表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。PAP薄膜表面存在微米级的固体颗粒和纤维纳米结构。这两种成分在PDMS的表面和内部区域中随机分布（见图S1-S2）。图2b的能谱分析（EDS）结果显示了C、Si、Ag和F的存在，这些微米级的固体颗粒位于

结论

总之，本研究提出了一种简单且经济高效的方法来制备透明、疏水性的PAP薄膜，并基于这种薄膜开发了一种接触分离式的摩擦电纳米发电机（TENG）。与未经改性的PDMS相比，基于PAP的TENG在开路电压、电流和转移电荷量方面有显著提升，分别从39 V、0.4 μA和12.5 nC提高到了1100 V、4 μA和263 nC，峰值功率密度达到0.38 W/m2。在PDMS中添加PFA和Ag纳米线可以显著改善其性能

材料

所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。异丙醇（IPA, AR）购自MACKLIN公司。PDMS（SYLGARD? 184）购自陶氏化学公司（美国）。全氟烷氧基烷烃（PFA）购自东莞 Zhanyang Teflon Enterprise Store。长度为20 μm的Ag纳米线分散液购自江苏Xian-feng纳米技术有限公司。

PAP复合薄膜的制备

如图1所示，制备过程首先是将一定量的（10 g）

CRediT作者贡献声明

Leiqing Chen：验证、实验研究。Tong Zheng：正式分析、数据管理。Yong Lei：正式分析、数据管理。Guizhong Li：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法论设计、资金筹集、概念构思。Linnan Zhang：撰写——初稿撰写、实验研究。Ya Yang：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理。Yuanhao Wang：撰写——审稿与编辑、方法论设计。Yan Ren：方法论设计、实验研究。Binbin Zhang：项目协调

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52405324）、浙江省教育厅项目（项目编号Y202353037）以及中国温州市科学技术局项目（项目编号G2023051）的支持。

Linnan Zhang目前是中国温州大学机电工程专业的硕士研究生，他的研究兴趣主要集中在混合摩擦电纳米发电机的创新与设计方面。