中科院北京纳米能源所张弛研究员团队EES：基于P/N型有机半导体纤维编织的可穿戴直流摩擦伏特发电织物

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-14 07:50

正文

摩擦伏特效应是半导体界面处的机械摩擦产生直流电压和电流的现象，摩擦形成新的化学键，释放出被称为 “bindington”的能量，激发半导体界面上的电子-空穴对，从而在内建电场或界面电场的作用下产生直流电。摩擦伏特纳米发电机(TVNG)可将机械能直接转化为直流电，相比于传统基于聚合物绝缘体的摩擦纳米发电机(TENG)，具有高电流密度、低内阻和高功率密度的特点，且不需要经过复杂的电源管理就可以为微型的智能电子设备供电，在自供电系统领域展现出了巨大的潜力。目前基于Si、GaN、Bi₂Te₃等无机半导体TVNG在电学输出上已经取得了突破性的进展，其在厘米级尺寸上可以实现100V以上的电压输出及为智能电子设备供电。然而刚性的无机半导体材料并不适合可穿戴柔性电子器件的集成与应用。为了开发柔性半导体TVNG，研究人员将PEDOT:PSS、PPy及PAN等有机半导体集成到柔性薄膜和纤维织物上，展现了较好的柔韧性和直流输出特性。其中织物TVNG由于具有优异的柔韧性，人体可穿戴性，是目前柔性半导体TVNG发展的重点。然而，目前的织物TVNG是基于平面/平面摩擦模式，这不仅占用空间大，影响服装美观，而且与人体运动形态不匹配，导致能量收集效率低。发展高性能、人体形态适应性及长耐久的织物TVNG仍然是一个重要的挑战。

中科院北京纳米能源所张弛研究员团队报告了一种基于 P/N 型有机半导体编织和逐层串联/并联组装策略的高性能可穿戴摩擦伏特直流电源纺织品。通过传统的编织工艺制造出具有形态适应性、机械柔韧性和防潮性的高性能电力纺织品(WDP)。WDP 是一种双层交错结构，具有很高的变形能力，并可按不同尺寸制造。研究人员将P型的有机半导体聚(3,4-乙烯二氧噻吩):全氟磺酸 (PEDOT: PF)和N型的有机半导体聚(苯二呋喃二酮) (PBFD) 集成到棉纺纤维上并进一步编织成三维的螺旋纤维 (SF) 。通过串/并联组合，SFs被编织成可穿戴的直流纺织电源。研究人员进一步系统研究了直径、机械应力、运动方式 (拉伸状态和压缩状态) 和串/并联参数对WDP电学输出的影响。WDP的功率密度可达1.05 W/m²，相比以前报道的织物TENG和织物TVNG提高了约75倍。WDP在72000次循环后性能不下降，在湿度90%的环境下仍保持80%的输出性能。水洗15次和117天后，WDP仍能保持70%的输出性能。更重要的是，WDP不同于以往基于两个平面摩擦的织物TVNG，WDP是立体三维结构的，是基于单根或者多根纤维的立体摩擦方式，其良好的可穿戴性可以很好的适应人体运动形态，产生的直流电可以直接为可穿戴电子智能设备(如手机、运动手表和彩灯)供电。本研究展示的高性能WDP为摩擦伏特效应在纺织电源和智能可穿戴电子产品领域的实际应用提供了一种有前途的策略。相关研究以“A wearable DC tribovoltaic power textile woven by P/N-type organic semiconductor fibers”为题发表在Energy & Environmental Science期刊上。

图1. WDP相比于以往基于两个平面摩擦的织物TVNG的优势

图文导读

图2. A,PEDOT:PF和PBFD两种半导体纤维的制备原理与流程. B-D,半导体摩擦伏特直流发电机制. E-F,滑动与按压状态下PEDOT:PF/PBFD半导体界面处的开路电压(V_OC)与短路电流(I_SC). G-J,纤维直径和频率对V_OC与I_SC的影响.

图3. A-C,SFs的串联与并联示意图. D-E,WDP织物的串/并联组装示意图及实物图. F-G,三维立体摩擦与传统面/面摩擦的优势. H-K,不同尺寸与不同频率下WDP的电学输出.

图4. A-C,WDP在自供电可穿戴电子领域的展望. B-F,WDP在标准频率下为不同功耗的电子设备供电. G-H, WDP良好的耐久性. I-J,WDP通过收集人体机械能为电子墨水屏供电.

结论

作者报告了一种基于P/N型有机半导体编织和串联/并联逐层组装策略的高性能真正可穿戴的摩擦伏特直流电源纺织品。采用传统的织造工艺制备了具有形态适应性、机械柔韧性和耐湿性的直流电源织物WDP。WDP是一种双层互锁结构，具有高度可变形性。得益于串联/并联逐层组装策略，输出功率密度约为1.05 W/m², V_oc为40 V。与已报道的研究相比，WDP具有高柔韧性、优异的环境稳健性、较低的内阻、高电压且在水洗15次和117天后，WDP仍能保持70%的输出性能。WDP可以很好地适应人体生物力学运动，容易集成到可穿戴和便携式电子产品中。WDP通过收集人体机械能可以为不同的电子设备供电，包括不同电压的彩色灯、手机、智能电子电表、温湿度计以及为电子屏幕供电。本研究展示的高性能WDP为摩擦伏特效应在纺织电源和智能可穿戴电子领域的实际应用提供了一种有前途的策略。

该工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目以及延续资助项目的支持(52450006, 52250112)

第一作者：范贝贝，广西大学/中国科学院北京纳米能源与系统研究所，联培博士生

通讯作者：张弛，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，研究员、博士生导师

参考文献：

Fan, B., Liu, G., Dai, Y., Dong, Z., Luan, R., Gong, L., Zhang, Z., Wang Z. L., & Zhang, C*. A wearable DC tribovoltaic power textile woven by P/N-type organic semiconductor fibers. Energy & Environmental Science, 2024, DOI: 10.1039/D4EE02662D.

全文链接：

https://doi.org/10.1039/D4EE02662D

来源：高分子科学前沿

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