[论文解读] Influence of Thickness and Contact Area on the Performance of PDMS-Based Triboelectric Nanogenerators

Alexandre Pereira Gomes, Cátia Rodrígues+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 11被引用 7

一句话总结

本研究探讨了PDMS层厚度和接触面积对PDMS-尼龙摩擦纳米发电机（TENGs）输出性能的影响。研究结果表明，增加PDMS厚度会降低电压但提高电流，最大功率（0.56 μW）出现在32 μm厚度时；更大的接触面积线性提升电压和电流，在15 cm²时分别达到1.2 V和0.43 μA，功率密度为0.33 mW/m²。

ABSTRACT

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are an emerging mechanical energy harvesting technology that was recently demonstrated. Due to their flexibility, they can be fabricated in various configurations and consequently have a large number of applications. Here, we present a study on the influence of the thickness of the triboelectric layer and of the contact surface area between two triboelectrical materials on the electric signals generated by a TENG. Using the PDMS-Nylon tribo-pair, and varying the thickness of the PDMS layer, we demonstrate that the generated voltage decreases with increasing thickness. However, the maximum generated current presents an inverse behaviour, increasing with increasing PDMS thickness. The maximum output power initially increases with increasing PDMS thickness up to 32 um, followed by a sharp decrease. Using the same tribo-pair (but now with a constant PDMS thickness), we verified that increasing the contact surface area between the two tribo-materials increases the electrical signals generated from the triboelectric effect.

研究动机与目标

• 理解PDMS层厚度对PDMS-尼龙TENG中摩擦电输出的影响。
• 研究改变接触表面面积对TENG中电信号生成的影响。
• 通过识别实现最大功率输出的理想厚度和面积，优化TENG性能。
• 为使用常见材料设计高效、柔性的摩擦纳米发电机提供设计指导。

提出的方法

• 通过不同转速（500–5000 rpm）的旋涂工艺制备PDMS层，得到13至220 μm的厚度。
• 使用厚度恒定的50 μm尼龙薄膜作为对电极材料。
• 采用可调节负载电阻（100 Ω至1 GΩ）的定制测试系统，在接触-分离模式下测量电输出。
• 在不同负载电阻下记录开路电压和短路电流，以确定最大功率点。
• 基于电荷转移和静电感应的理论模型用于解释实验结果。
• 在保持PDMS厚度恒定于32 μm的条件下，系统性地将接触面积从2.5 cm²变化至15 cm²，以隔离面积的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加PDMS摩擦电层的厚度如何影响PDMS-尼龙TENG中的开路电压和短路电流？
• RQ2 在摩擦纳米发电机中，实现最大输出功率的最优PDMS厚度是多少？
• RQ3 增加PDMS与尼龙之间的接触面积如何影响产生的电压和电流？
• RQ4 最大输出功率是否随接触面积的增加呈线性增长？
• RQ5 在不同厚度和面积下，最大输出时的功率密度是多少？

主要发现

• 开路电压随PDMS厚度增加而降低，在220 μm时达到最小值。
• 短路电流随PDMS厚度增加而增大，在32 μm时达到峰值。
• 在PDMS厚度为32 μm时，实现了0.56 μW的最大输出功率，对应功率密度为0.55 mW/m²。
• 在PDMS厚度恒定为32 μm时，接触面积从2.5 cm²增加到15 cm²，开路电压从0.3 V提升至1.2 V。
• 随着接触面积增加至15 cm²，短路电流从0.11 μA增加至0.43 μA。
• 最大输出功率与接触面积呈线性关系，在15 cm²时达到0.5 μW，对应功率密度为0.33 mW/m²。