【摘 要】
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随着智能穿戴设备逐渐向小功耗、便携化方向发展,人们对于可为其供电的微型柔性可穿戴发电机的需求也日益增加。在各种发电模式中,利用自然能源发电具有环保清洁的优势,其中热能作为无处不在的自然能源,基于热能的可穿戴发电设备具有广阔的研究前景。热能发电技术可以简单划分为两种形式,一种是通过动态温度变化收集电能的热释电效应,另一种是通过静态温度梯度收集电能的热电效应。传统的可穿戴发电机通常由其中一种热能发电系
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随着智能穿戴设备逐渐向小功耗、便携化方向发展,人们对于可为其供电的微型柔性可穿戴发电机的需求也日益增加。在各种发电模式中,利用自然能源发电具有环保清洁的优势,其中热能作为无处不在的自然能源,基于热能的可穿戴发电设备具有广阔的研究前景。热能发电技术可以简单划分为两种形式,一种是通过动态温度变化收集电能的热释电效应,另一种是通过静态温度梯度收集电能的热电效应。传统的可穿戴发电机通常由其中一种热能发电系统组成,能量转换率相对较低。而相比基于单一热释电或热电效应的发电系统,如能将热电效应和热释电效应相结合制备成混合热能发电系统,将有望实现更高的电能输出。通过巧妙的结构设计可从热源处同时获取温度波动和空间温度梯度,从而提高可穿戴发电机的供电能力,更加满足小功耗设备的供电需要。除此之外,传统可穿戴发电机通常以人体热源作为其热能来源,但人体自身对热能的供给却十分有限。随着近年来光热转换技术的不断发展,可考虑将太阳能转换为热能并加以利用,为可穿戴热能发电机提供更充足的热能输入。基于此,本文通过制备及组装高效太阳能光热吸收层、热释电发电机以及热电发电机,成功研制出了新型可穿戴太阳能驱动热释电-热电混合发电机。展开的研究工作如下:（1）成功设计并制备了新型可穿戴太阳能驱动热释电-热电混合发电机。该装置自上至下由太阳能光热吸收层、热释电发电机和水平-放射型热电发电机三部分构成。太阳能吸收层将太阳光照转化为热能,热释电发电机和热电发电机分别利用热能中温度随时间的变化和温度在空间形成的梯度实现热释电与热电转换。（2）太阳能光热吸收层由碳纳米管（CNT）/碳导电胶（CT）组成,具有多孔粗糙的微观结构,有利于在吸收层内部实现对光的多重反射,该光热吸收层在全光谱范围的光吸收率高达98.9%。热释电发电机部分采用了聚偏氟乙烯（PVDF）热释电薄膜,在1个模拟太阳光照强度下,其最大热释电输出功率密度可达380μW/m~2。热电发电机则是由聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）热电纺线组成,在9 K温差下,热电发电机部分的输出电压为～0.7 m V,输出功率密度为1.4μW/cm~2。（3）将所制备组装的太阳能驱动热释电-热电混合发电机置于模拟太阳光照和实际太阳光照条件下分别进行测试。在1.5个模拟太阳光照强度下,该混合发电机在800 s内成功将两个商用电容充电至3.7 V,总能量点亮了73个LED灯泡。将其缝制于衣帽上并在实际户外环境中经太阳光照30分钟,该混合发电机将两电容充电至2.5 V。以上结果展示了该器件在实际条件下作为可穿戴热能收集转换发电设备的应用潜力。综上,本工作结合光热转换、热释电转换及热电转换技术成功制备了新型可穿戴太阳能驱动热释电-热电混合发电机,不仅为可穿戴电子设备的供能问题提供了解决方案,同时也为光热电转换技术的一体化整合提供了新的思路。
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