香港城市大学研究生，香港城市大学研究生一年费用
面对化石能源日益枯竭与人类能源消耗日益增长的矛盾，可再生能源的开发和利用是解决能源危机的重要手段。水覆盖了地表约 72% 的面积，蕴藏着巨大的能量，其中就包括以雨滴、河流、波浪等多种形式存在的动能。基于电磁效应的传统水力发电在水资源丰富的地区已经广泛应用，但其往往要求非常大的水量来提供足够的动能。相比之下，蕴藏在液滴形式中的丰富能量尚未得到有效开发和利用。据估算，每年全球范围内雨滴动能的总和为3000 TW·h，相当于每年全球能源消耗的 5%。
近日，香港城市大学杨征保教授团队开发了一种大面积雨滴发电面板,可利用固定位置液滴撞击和随机位置液滴撞击来进行高效发电。该雨滴发电面板具备高性能、易于集成、全透明、低成本、稳定性佳等优点，在雨滴-太阳能面板、智能窗户、自驱动环境监测等领域具有巨大潜力。相关研究成果以“Droplet energy harvesting panel” 为题在能源与环境领域权威期刊Energy & Environmental Science（IF:38.532）上发表（DOI: 10.1039/d2ee00357k）。港城大在读博士生许晓特为论文第一作者，杨征保教授为论文通讯作者，论文合作者为王钻开教授，论文的其他作者有李鹏宇、丁永韬、徐王淮、刘世源和张卓敏。
工作机理和性能
雨滴发电面板（下文简称面板）由类晶体管结构的雨滴发电器件单元和一个全波整流器组成。雨滴发电器件单元的开路电压和短路电流分别为266.6 V和273.6 μA，高于双电极或者单电极的液固摩擦纳米发电机。得益于类晶体管的结构，液滴铺展过程中（液体-固体摩擦）积累的丰富电荷在器件“开启”（液滴接触漏极）时得以快速释放，产生高输出电压和电流。高性能的器件单元是制备大面积高性能面板的基础和前提。
图1 雨滴发电面板的工作机理及性能。(a) 雨滴发电面板和器件单元示意图; (b) 工作机理示意图; (c) 器件单元的输出电压和电流; (d) 不同器件结构的输出电压比较。
共面电极结构赋能大面积高性能面板
在大面积面板中，源极和漏极之间无法避免的寄生电容会对输出性能产生较大的影响。在A4纸大小的面板中，共面电极面板的输出显著优于非共面电极面板（如图2c所示）。在非共面电极器件单元中，上电极和底电极之间会产生一个较大的寄生电容，这个寄生电容会阻碍电荷释放到外部电路。进一步的研究也表明，随着上电极面积的增大，器件的寄生电容随之线性增大，导致其输出电压随之减小（如图2d所示）。A4纸大小的共面电极面板和非共面电极面板的寄生电容分别为80.20 pF和871.90 pF。由此可见，共面电极结构有效地减小了寄生电容，可使大面积面板维持较高的性能（输出电压103.47 V）。
图2非共面电极结构中寄生电容的负面分流效应。（a）共面电极面板示意图；（b）非共面电极面板示意图；（c）A4纸大小共面电极面板与非共面电极面板的输出性能比较；（d）非共面电极单元的输出电压、寄生电容与上电极面积的关系；（e）非共面电极器件寄生电容示意图；（f）非共面电极器件的等效电路模型。
类棋盘状面板用于固定位置液滴发电
大面积雨滴发电通常有两种应用场景：1.将雨水收集后由液滴产生器产生的固定位置液滴；2.自然环境中降雨的随机位置液滴。针对这两种场景，该团队设计不同的面板拓扑来进行高效发电。对于固定位置液滴，该团队设计了带孔的类棋盘状面板，有效避免了上方位置液滴形成的水流干扰。该团队进一步对单整流器面板和传统多整流器阵列进行比较，两者均能有效地对电容器进行充电，表明了该面板同时具备高性能和结构简单的优点。
图3用于固定位置液滴发电的带孔类棋盘状面板。（a）固定位置液滴产生器；（b）带孔的类棋盘状面板示意图；（c）多整流器液滴发电器阵列示意图；（d） 单整流器面板和多整流器阵列的充电性能比较。
条状单元面板用于随机位置液滴发电
在随机位置液滴的应用中，该团队设计了条状单元面板来提高雨滴发电效率。由于类晶体管结构雨滴发电器件的输出与液滴接触漏极时的铺展面积有密切关系（如图4a所示），因此提高液滴完整输出（液滴铺展到最大面积时接触到漏极）的概率有助于提升雨滴发电效率。该团队比较了类棋盘状面板和条状单元面板中液滴初始撞击位置产生完整输出的概率，发现条状单元面板对随机位置液滴的发电效率更高，其完整输出的概率是类棋盘状面板的2倍以上。实验表明，共面电极条状单元面板在随机位置液滴撞击下可有效地对电容器进行充电。
图4 用于随机位置液滴发电的条状单元面板。（a） 输出电压与液滴接触漏极时铺展面积的关系；（b） 类棋盘状面板示意图；（c）类棋盘状面板产生完整输出的液滴初始撞击位置（位置5和14）；（d）条状单元器件底接触、左接触和右接触的输出电压；（e）条状单元面板示意图；（f）条状单元面板产生完整输出的液滴初始撞击位置（位置5、8、11和14）；（g）共面电极条状单元面板示意图；（h）随机位置液滴撞击下的充电曲线。
鲁棒性和稳定性
该团队对雨滴发电器件的鲁棒性和稳定性进行了较为全面表征，研究了不同水源、液滴离子浓度、器件倾斜角度、滴水频率的影响。此外，该团队还表征了在两种极端条件下的输出：（1）源漏间隙被水覆盖的情况，器件性能几乎不受影响；（2）在水中取出后，性能在连续液滴撞击下逐渐恢复并在3分钟内达到稳定。在长期稳定性方面，器件在放置6个月后仍然保持较高水平的输出。
图5鲁棒性和稳定性。（a） 水源；（b） 离子浓度；（c） 倾斜角度；（d） 滴水频率（<5 Hz）；（e） 滴水频率（>10 Hz）；（f） 源漏间隙被水覆盖；（g） 在水中取出后；（h） 6个月以上的样品；（i） 性能恢复。
潜在应用
该团队还进一步展示了雨滴发电面板的潜在应用：
（1）雨滴-太阳能面板；
（2）自驱动无线森林监测系统。
结论：综上所述，该团队开发了一种高性能的大面积雨滴发电面板。类晶体管结构单元确保了高输出性能，共面电极结构减轻了在大面积面板中寄生电容的负面分流效应。类棋盘状面板和条状单元面板分别用于固定位置液滴和随机位置液滴发电。该面板只需要一个全波整流器，相较于传统的多整流器阵列而言，大大降低了制造和维护成本。该面板的透明性也展现了其与太阳能面板和智能窗户集成的潜力。同时，该面板也有望在水资源丰富的地区为低功耗环境监测和物联网应用供电。
课题组介绍
杨征保教授研究团队持续招博士和博士后，感兴趣者可以访问课题组网站并联系。
课题组网站：
https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
来源：高分子科学前沿
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