有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組。該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)包括至少一個(gè)組合單元的有機(jī)薄膜疊加體，每個(gè)組合單元包括上、下電極層和位于兩個(gè)電極層之間的至少兩層有機(jī)薄膜層，每一個(gè)組合單元中的有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降，其中有機(jī)薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面經(jīng)過砂紙打磨處理。該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)還可包括外包封裝層和引出電路。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕盈、易于實(shí)現(xiàn)并且可提供較高電輸出的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和由其構(gòu)成的發(fā)電機(jī)組，對(duì)于有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的市場(chǎng)化應(yīng)用具有重大意義。
【專利說明】有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和發(fā)電機(jī)組。
【背景技術(shù)】
[0002]目前全球都面臨著常規(guī)能源短缺和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。各種新型發(fā)電形式的開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)緩解當(dāng)前的能源壓力起著重要作用。尋求減少環(huán)境破壞和自然資源消耗的新型發(fā)電形式，已成為可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)的必然要求。因此，開發(fā)和應(yīng)用新型發(fā)電原理、材料和設(shè)備，對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約具有重大意義。
[0003]另一方面，微電子【技術(shù)領(lǐng)域】中便攜式電子設(shè)備和微型自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，要求發(fā)電機(jī)具有更高的發(fā)電效率和更小的質(zhì)量及體積，也對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)電裝置提出了新的挑戰(zhàn)。
[0004]制造常規(guī)發(fā)電機(jī)需要大量金屬材料，并且其體型龐大無(wú)法應(yīng)用于便攜式、植入式及小型自驅(qū)動(dòng)式電子設(shè)備。通常常規(guī)的發(fā)電方式還可能導(dǎo)致環(huán)境破壞和資源消耗。
[0005]有機(jī)薄膜材料一般為優(yōu)良的電絕緣體，對(duì)電子的約束能力不同的材料在相互接觸和/或摩擦?xí)r會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，使得到電子的材料帶負(fù)電，失去電子的材料帶正電。材料在與其他材料相互接觸和/或摩擦?xí)r得到電子的能力由低到高的排列序列即為摩擦電勢(shì)序列(Triboelectricity series)。在兩種不同的材料發(fā)生接觸和/或摩擦?xí)r，排序靠前的材料表面帶正電，排序靠后的材料表面帶負(fù)電。其他條件相同的情況下，兩種材料接觸和/或摩擦中產(chǎn)生的電量與該兩種材料在摩擦電勢(shì)序列中的距離有關(guān)，距離愈大，表面可產(chǎn)生的電量愈多。自摩擦電勢(shì)序列提出至今，其原理已被廣泛驗(yàn)證，各種已知和新合成材料的相對(duì)的電子能也被不斷明晰準(zhǔn)確。
[0006]美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授王中林等曾提出利用有機(jī)薄膜接觸和/或摩擦發(fā)電的發(fā)電機(jī)。試驗(yàn)表明，對(duì)有機(jī)薄膜表面進(jìn)行微觀處理以增加接觸面的表面積，可以提高該發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)。現(xiàn)有文獻(xiàn)中采用光刻蝕法(Photolithography)和/或深反應(yīng)離子刻蝕法(Deep Reactive 1n Etching)對(duì)薄膜材料進(jìn)行表面處理,這些方法不僅需要昂貴的專業(yè)刻蝕設(shè)備，操作起來也復(fù)雜耗時(shí)，并且對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求很高，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種低成本并且能提供較高電輸出的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法，本發(fā)明還提供了由該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)構(gòu)成的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)可包括:有機(jī)薄膜疊加體，所述有機(jī)薄膜疊加體包括至少一個(gè)組合單元，每一個(gè)所述組合單元包括上電極層、下電極層和位于所述上電極層和所述下電極層之間的至少兩層有機(jī)薄膜層，所述至少一個(gè)組合單元中的每一者的所述有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降；外包封裝層，用于封裝所述有機(jī)薄膜疊加體；以及引出電路，所述引出電路分別電連接至所述有機(jī)薄膜疊加體兩端。
[0009]優(yōu)選地，所述組合單元中所述有機(jī)薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面可經(jīng)過砂紙打磨處理。
[0010]優(yōu)選地，經(jīng)過砂紙打磨處理的所述有機(jī)薄膜層的所述表面可具有納米或者微米級(jí)的表面粗糙度。
[0011]其中，同一個(gè)有機(jī)薄膜疊加體中的多個(gè)組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
[0012]優(yōu)選地，構(gòu)成所述有機(jī)薄膜層的材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應(yīng)的柔性材料。
[0013]優(yōu)選地，所述組合單元中的所述有機(jī)薄膜層之間采用能夠相對(duì)移動(dòng)的疊加方式。
[0014]優(yōu)選地，構(gòu)成每層所述有機(jī)薄膜層的材料可以為下列材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。
[0015]優(yōu)選地，任意所述電極層可以是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物膜涂層電極層中的一者。
[0016]優(yōu)選地，所述上電極層和下電極層的厚度可為50nm-100nm。
[0017]優(yōu)選地，所述有機(jī)薄膜層的彼此接觸的兩個(gè)表面可采用單層打磨、雙層平行打磨和雙層交叉打磨中的一種打磨圖樣。
[0018]優(yōu)選地，所述組合單元中可包括2層或者3層有機(jī)物薄膜層。
[0019]本發(fā)明還提供了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法，該制備方法可包括:用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要打磨的表面；將至少兩層所述有機(jī)薄膜層以能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降；在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最上層的所述有機(jī)薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最下層的所述有機(jī)薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元；將至少一個(gè)所述組合單元組成有機(jī)薄膜疊加體，其中所述至少一個(gè)所述組合單元中的每一者的所述有機(jī)薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機(jī)薄膜疊加體的兩端；以及用外包封裝層封裝所述有機(jī)薄膜疊加體。
[0020]其中，同一個(gè)有機(jī)薄膜疊加體中的多個(gè)組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
[0021]優(yōu)選地，用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要被打磨表面可包括:將所述有機(jī)薄膜層水平放置，并且將需要打磨的所述表面朝上放置；將所述砂紙覆蓋在所述有機(jī)薄膜層上；將重物放置于所述砂紙上；以及固定所述重物和所述有機(jī)薄膜層，平拉所述砂紙。
[0022]優(yōu)選地，所述砂紙是280目、320目、400目、500目、600目、800目、1000目、1200目、1400目、1600目、1800目、2000目、2500目、3000目、3500目和4000目規(guī)格砂紙中的一種。
[0023]本發(fā)明還公開了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組，該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組由如上所述的多個(gè)有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成。
[0024]通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕盈、易于實(shí)現(xiàn)并且可提供較高電輸出的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)及其制備方法和由其構(gòu)成的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組，其對(duì)于有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的市場(chǎng)化應(yīng)用具有重大意義。
[0025]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0027]圖1是根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示意圖；
[0028]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示意圖；
[0029]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示意圖；
[0030]圖4示出了圖3中的一個(gè)組合單元的中間層的原理示意圖；
[0031]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0032]圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0033]圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0034]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)的短路電流示意圖；
[0035]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法；以及
[0036]圖10示出了用于打磨有機(jī)薄膜層表面的砂紙的目數(shù)對(duì)發(fā)電效果的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0038]圖1是根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示意圖。有機(jī)薄膜疊加體2包括至少一個(gè)的組合單元。每個(gè)組合單元可包括上、下兩個(gè)電極層和位于兩個(gè)電極層中間的至少兩層有機(jī)薄膜層。有機(jī)薄膜疊加體2中的每一個(gè)組合單元中有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下各層材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升(或者依次下降)。其中，有機(jī)薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面可以經(jīng)過砂紙打磨處理，以增加有機(jī)薄膜層表面的粗糙度，從而增加有機(jī)薄膜層彼此接觸和/或摩擦?xí)r表面產(chǎn)生的靜電荷，以提高該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的電輸出。外包封裝層I用于封裝有機(jī)薄膜疊加體2。引出電路3可分別電連接至有機(jī)薄膜疊加體2的兩端，即引出電路3的一端電連接至有機(jī)薄膜疊加體2中最上面的組合單元的上電極層，引出電路3的另一端電連接至最下面的組合單元的下電極層。通常上電極層和下電極層的厚度遠(yuǎn)小于有機(jī)薄膜層的厚度，例如，每個(gè)電極層的厚度約為nm (納米)或IOOnm量級(jí),優(yōu)選為50nm-100nm,而有機(jī)薄膜層的厚度可達(dá)到μπι (微米)量級(jí)。
[0039]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可對(duì)有機(jī)薄膜層彼此接觸的接觸面的部分(如下述的單面打磨)或全部(如下述的雙面打磨)進(jìn)行砂紙打磨處理，經(jīng)砂紙打磨處理后的表面上形成微米或者納米級(jí)的表面粗糙度。不同的打磨圖樣和不同目數(shù)的砂紙對(duì)發(fā)電效果的影響將在下文詳細(xì)描述。
[0040]優(yōu)選地，每一個(gè)組合單元中，上電極層和最上層的有機(jī)薄膜層之間、下電極層和最下層的有機(jī)薄膜之間可以以彼此固定的方式結(jié)合。例如，可以以射頻磁控濺射技術(shù)、原子層沉積技術(shù)或者電沉積技術(shù)等本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的任意技術(shù)在有機(jī)薄膜層的表面形成電極層。
[0041]優(yōu)選地，同一組合單元中的不同有機(jī)薄膜層之間可采用自然疊加的能夠相對(duì)移動(dòng)的疊加方式。
[0042]優(yōu)選地，所述有機(jī)薄膜層的構(gòu)成材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應(yīng)的柔性材料。優(yōu)選地，每一層有機(jī)薄膜層的構(gòu)成材料可以是下列高分子有機(jī)材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。由于相鄰的有機(jī)薄膜層的構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中位置不同，所以當(dāng)其彼此接觸和/或摩擦?xí)r，可在接觸面上產(chǎn)生靜電荷。如果將每個(gè)組合單元看作一個(gè)電容器，當(dāng)外界壓力、震動(dòng)或溫度等變化導(dǎo)致有機(jī)薄膜疊加體2產(chǎn)生一定形變時(shí)，則可認(rèn)為每個(gè)電容器的電容值隨之改變，從而導(dǎo)致該電容器兩端的電壓發(fā)生變化，以向外界提供電輸出。
[0043]優(yōu)選地，任意一個(gè)電極層可以是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物(ITO)膜涂層電極層中的一者，同一組合單元中的上、下電極層可以相同或者不同。
[0044]如果有機(jī)薄膜疊加體2中所包括的組合單元多于一個(gè)，則多個(gè)組合單元可以以串聯(lián)的方式電連接，可用導(dǎo)線(例如銅線)串聯(lián)遵循相同排列規(guī)則的多個(gè)組合單元，具體地，可采用導(dǎo)線兩端分別電連接(例如通過導(dǎo)電銀膠粘連或者引線鍵合等)至一個(gè)組合單元的下電極層和另一個(gè)組合單元的上電極層的方式進(jìn)行串聯(lián)。由于所有組合單元中的有機(jī)薄膜層遵循相同的排序規(guī)則，所以在相同或相似的形變過程中，各個(gè)組合單元產(chǎn)生相同方向的電輸出。因此由其串聯(lián)形成的有機(jī)薄膜疊加體2的輸出是其所包括的各個(gè)組合單元的電輸出的和，組合單元的數(shù)量越多，根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率越高。有機(jī)薄膜疊加體2中所包括的組合單元的數(shù)量上限可受到制備工藝的限制，隨著組合單元增多，有機(jī)薄膜疊加體2會(huì)逐漸增厚，當(dāng)其厚度超過限定值后，同步按壓有機(jī)薄膜疊加體2的難度會(huì)大大增加。
[0045]優(yōu)選地，外包封裝層I可以由有機(jī)高分子絕緣材料制成。
[0046]引出電路3可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的任意技術(shù)手段(例如，導(dǎo)電銀膠粘連或者弓I線鍵合等)被電連接至有機(jī)薄膜疊加體2兩端的電極層，以輸出有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電輸出。本實(shí)施方式中，引出電路3可以是導(dǎo)線。
[0047]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示例圖。在圖2中，有機(jī)薄膜疊加體2包括組合單元21和22。組合單元21中從上到下依次為上電極層211、有機(jī)薄膜層212、有機(jī)薄膜層213和下電極層214。組合單元22中從上到下依次為上電極層221、有機(jī)薄膜層222、有機(jī)薄膜層223和下電極層224。其中上電極層211和有機(jī)薄膜層212之間、有機(jī)薄膜層213和下電極層214之間、上電極層221和有機(jī)薄膜層222之間、有機(jī)薄膜層223和下電極層224之間均以電極層制備在有機(jī)薄膜層上的方式固定結(jié)合。有機(jī)薄膜層212和有機(jī)薄膜層213之間、有機(jī)薄膜層222和有機(jī)薄膜層223之間以自然疊加的能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加。有機(jī)薄膜層212和222的下表面、有機(jī)薄膜層213和223的上表面具有經(jīng)砂紙打磨處理后形成的納米級(jí)的表面粗糙度。設(shè)構(gòu)成有機(jī)薄膜層212的材料為A，構(gòu)成有機(jī)薄膜層213的為B，構(gòu)成有機(jī)薄膜層222的材料為Al，構(gòu)成有機(jī)薄膜層223的為BI，其中A在摩擦電勢(shì)序列中的排序在B之前，Al在BI之前(或者A排序在B之后，Al在BI之后)。可理解的是，A和Al可以是相同或者不同的材料，同樣B和BI可以是相同或者不同的材料。銅線兩端分別電連接至電極層214和221以實(shí)現(xiàn)組合單元21和22的串聯(lián)。有機(jī)薄膜疊加體2被外包封裝層I封裝。引出電路3的兩端分別電連接至電極層211和電極層224,以向外提供電輸出。
[0048]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的示例圖。如圖所示，有機(jī)薄膜疊加體2包括組合單元21和22。組合單元21中從上到下依次為上電極層211、有機(jī)薄膜層212、有機(jī)薄膜層213、有機(jī)薄膜層214和下電極層215。組合單元22中從上到下依次為上電極層221、有機(jī)薄膜層222、有機(jī)薄膜層223、有機(jī)薄膜層224和下電極層225。其中每個(gè)組合單元中，電極層和與其相鄰的有機(jī)薄膜層間以電極層制備在有機(jī)薄膜層上的方式固定結(jié)合，相鄰有機(jī)薄膜間以自然疊加的能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加。相鄰兩個(gè)有機(jī)薄膜層彼此接觸的表面上具有經(jīng)砂紙打磨處理后形成的微米級(jí)的表面粗糙度。設(shè)構(gòu)成有機(jī)薄膜層212的材料為A，構(gòu)成有機(jī)薄膜層213的為B，構(gòu)成有機(jī)薄膜層214的材料為C，構(gòu)成有機(jī)薄膜層222的材料為Al，構(gòu)成有機(jī)薄膜層223的為BI，構(gòu)成有機(jī)薄膜層224的材料為Cl，其中A在摩擦電勢(shì)序列中的排序在B之前，B在C之前，Al在BI之前，BI在Cl之前(或者A排序在B之后，B在C之后，Al在BI之后，BI在Cl之后)?？衫斫獾氖?，A和Al可以是相同或者不同的材料，同樣B和BI可以是相同或者不同的材料，C和Cl可以是相同或者不同的材料。銅線兩端分別電連接至電極層215和221以實(shí)現(xiàn)組合單元21和22的串聯(lián)。有機(jī)薄膜疊加體2被外包封裝層I所封裝。引出電路3的兩端分別電連接至電極層211和電極層225,以向外提供電輸出。
[0049]可理解的是，構(gòu)成同一個(gè)有機(jī)薄膜疊加體的不同組合單元所包括的有機(jī)薄膜層的數(shù)目可以是相同的或者不同的。
[0050]當(dāng)在摩擦電勢(shì)序列中排序不同的絕緣材料構(gòu)成的有機(jī)薄膜層相互接觸和/或摩擦?xí)r，每一層材料的內(nèi)部可產(chǎn)生電荷分離，設(shè)某個(gè)有機(jī)薄膜層表面經(jīng)接觸和/或摩擦后帶負(fù)電，則有分離后的帶正電的電荷滯留在薄膜中，反之亦然，分離后的電荷產(chǎn)生的反向電場(chǎng)會(huì)阻礙電荷的進(jìn)一步分離。當(dāng)接觸和/或摩擦引起的電荷分離趨勢(shì)與每個(gè)有機(jī)薄膜內(nèi)部的反向電場(chǎng)力達(dá)到平衡時(shí)，有機(jī)薄膜層表面的電荷數(shù)量將停止增加，這限制了有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的電輸出。圖3中示出的包括三層有機(jī)薄膜層的組合單元可有效緩解這種對(duì)電輸出的限制。原理參照?qǐng)D4示出。
[0051]圖4示出了圖3中的一個(gè)組合單元的中間層的原理示意圖。在包括三層有機(jī)薄膜層的組合單元中，經(jīng)過接觸和/或摩擦之后，中間層的上下表面的凈電荷極性相反，滯留于中間層中間位置的電荷極性也相反。當(dāng)中間層材料較薄時(shí)(IOOnm-1OOum之間)，中間層中部的滯留電荷可發(fā)生正負(fù)中和，從而減弱了部分反向電場(chǎng)，使上表面和下表面得以分離出更多電荷，因此可提高該組合單元可提供的電輸出。另外，可認(rèn)為一個(gè)組合單元的上下電極和與其接觸的有機(jī)薄膜層構(gòu)成了一個(gè)電容器，增加的中間層可起到增加電容器間距和增加電極層間電阻的作用，這可增加上下兩層間的電容，使整個(gè)組合單元蓄積電荷的能力提高，以提高其電輸出。因此，三層的組合單元相比于兩層有機(jī)薄膜組合單元能提供更高的電壓。
[0052]本發(fā)明中提出，有機(jī)薄膜層的表面經(jīng)過砂紙打磨，即可方便的獲得薄膜表面的圖案，增加有機(jī)薄膜層間互相接觸和/或摩擦?xí)r的接觸面積，提高發(fā)電機(jī)的輸出性能。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖5中分別示出了同一個(gè)組合單元中相鄰的兩層有機(jī)薄膜的彼此接觸的表面的打磨圖樣示例。可看出，彼此接觸的兩個(gè)表面中，僅有一個(gè)表面經(jīng)過了砂紙打磨處理，另一個(gè)表面可不做砂紙打磨處理，在本文中可稱為
單層打磨。
[0053]圖6是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖6中分別示出了同一個(gè)組合單元中相鄰的兩層有機(jī)薄膜的彼此接觸的表面的打磨示例圖樣?？煽闯?，彼此接觸的兩個(gè)表面均經(jīng)過砂紙打磨處理,且兩個(gè)表面的打磨圖樣相互平行,在本文中可稱為雙層平行打磨。
[0054]圖7是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖7中分別示出了同一個(gè)組合單元中相鄰的兩層有機(jī)薄膜的彼此接觸的表面的打磨示例圖樣?？煽闯?，彼此接觸的兩個(gè)表面均經(jīng)過砂紙打磨處理，且兩個(gè)表面的打磨圖樣相互交叉(例如，相互垂直)，在本文中可稱為雙層交叉打磨。
[0055]圖6和圖7中的打磨圖樣都可被稱為雙層打磨。
[0056]實(shí)驗(yàn)證明，在打磨所用砂紙目數(shù)相同的情況下，就所能提供的短路電路而言，雙層交叉打磨(例如圖7所示)>雙層平行打磨(例如圖6所示)>單層打磨(例如圖5所示)?？梢岳斫獾氖?，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要采用任意可提高有機(jī)薄膜層表面積的打磨圖樣。
[0057]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)的短路電流示意圖。測(cè)試上述有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能的方法有多種。例如，可采用線性馬達(dá)水平夾持在有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)兩端，固定線性馬達(dá)的推進(jìn)距離和頻率；在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)周期性地發(fā)生形變，各層有機(jī)薄膜之間發(fā)生有規(guī)律的接觸和/或摩擦；將電路測(cè)量設(shè)備連接在有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的引出電路上，即可得到該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的開路電壓、短路電流以及內(nèi)阻等發(fā)電機(jī)性能參數(shù)。根據(jù)該測(cè)試方式，根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)可獲得如圖8所示的具有交流電形式的短路電流輸出。同一個(gè)組合單元中相鄰的有機(jī)薄膜層的構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中排序不同，所以當(dāng)其彼此接觸和/或摩擦?xí)r，在接觸面上可產(chǎn)生靜電荷，并且產(chǎn)生的靜電荷的數(shù)量可隨著接觸面積增大而增多。如果將每個(gè)組合單元看作一個(gè)電容器，當(dāng)外界壓力、震動(dòng)或溫度等變化導(dǎo)致有機(jī)薄膜疊加體產(chǎn)生一定形變時(shí)，各個(gè)電容器同步發(fā)生形變，因?yàn)殡娙萜鞯碾娙葜蹬c其形狀(如極板間距)相關(guān)，所以可認(rèn)為該電容器的電容值隨著形變發(fā)生變化，從而導(dǎo)致該電容器兩端的電壓發(fā)生變化，以向外界提供交流電輸出。該發(fā)電過程可通過上述實(shí)驗(yàn)清晰觀察到。
[0058]本發(fā)明還公開了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法，該制備方法包括:用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要被打磨表面；將至少兩層所述有機(jī)薄膜層以能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降；在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最上層的所述有機(jī)薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最下層的所述有機(jī)薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元；將至少一個(gè)所述組合單元組成有機(jī)薄膜疊加體，其中所述至少一個(gè)所述組合單元中的每一者的所述有機(jī)薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機(jī)薄膜疊加體的兩端；以及用外包封裝層封裝所述有機(jī)薄膜疊加體。[0059]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法。
[0060]步驟SI，可用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要被打磨的表面。優(yōu)選地，將有機(jī)薄膜水平放置，并且需要打磨的表面朝上放置，然后可將砂紙覆蓋在有機(jī)薄膜上，通常砂紙大小要超過有機(jī)薄膜，砂紙可在有機(jī)薄膜上來回移動(dòng)，再將一重物(例如，砝碼或者鎮(zhèn)紙等)放置于砂紙上，固定砝碼和有機(jī)薄膜，同時(shí)緩慢的將中層砂紙平拉，直至將砂紙完全抽出，此時(shí)底層的有機(jī)薄膜層的表面即可產(chǎn)生一定的打磨圖樣。打磨次數(shù)可以為I次。彼此接觸的有機(jī)薄膜層的表面的打磨圖樣可以是單層打磨、雙層平行打磨或者雙層交叉打磨等。在圖10中示出了用于打磨的砂紙的目數(shù)對(duì)發(fā)電效果的影響。打磨所用的砂紙可為280目、320目、400目、500 目、600 目、800 目、1000 目、1200 目、1400 目、1600 目、1800 目、2000 目、2500 目、3000目、3500目或者4000目的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。圖10所示的坐標(biāo)系中，坐標(biāo)軸A表示時(shí)間，坐標(biāo)軸B表示電流強(qiáng)度。從圖10示出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，其他條件相同的情況下，在800目至2000目范圍內(nèi)，所用砂紙目數(shù)越聞，可提供的短路電路越聞。
[0061 ] 步驟S2，可將至少兩層已經(jīng)經(jīng)過打磨處理(如果需要)的有機(jī)薄膜層以能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加在一起，其中各個(gè)有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降。
[0062]步驟S3，可以在疊加在一起的至少兩層有機(jī)薄膜層中最上層的有機(jī)薄膜層的上表面形成上電極和在最下層的有機(jī)薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元。可以以射頻磁控濺射技術(shù)、原子層沉積技術(shù)或者電沉積技術(shù)等本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的任意技術(shù)在有機(jī)薄膜層的表面形成電極層。
[0063]步驟S4，將至少一個(gè)組合單元組成有機(jī)薄膜疊加體。如果一個(gè)有機(jī)薄膜疊加體包括多個(gè)組合單元，則這些組合單元間可以以串聯(lián)的方式電連接。例如，可以通過導(dǎo)電銀膠粘連或者引線鍵合等本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的技術(shù)將導(dǎo)線(例如銅線)的一端電連接至一個(gè)組合單元的下電極，并且將導(dǎo)線(例如銅線)的另一端電連接至另一個(gè)組合單元的上電極，以實(shí)現(xiàn)組合單元間的串聯(lián)。有機(jī)薄膜疊加體中的每一個(gè)組合單元中的有機(jī)薄膜層的排序規(guī)則相同。
[0064]步驟S5，將引入電路分別電連接(例如導(dǎo)電銀膠粘連或者引線鍵合)至有機(jī)薄膜疊加體的兩端，即引入電路的一端電連接至串聯(lián)在一起的至少一個(gè)組合單元中最上面的組合單元的上電極，并且引入電路的另一端電連接至串聯(lián)在一起的至少一個(gè)組合單元中最下面的組合單元的下電極。
[0065]步驟S6，用外包封裝層封裝有機(jī)薄膜疊加體。優(yōu)選地，外包封裝層可以由有機(jī)高分子絕緣材料制成。
[0066]本發(fā)明還提供了一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組，該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組包括多個(gè)上述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)。根據(jù)需要，這些有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)通過并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式組成有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組。
[0067]以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0068]另外需要說明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。
[0069]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)包括: 有機(jī)薄膜疊加體，所述有機(jī)薄膜疊加體包括至少一個(gè)組合單元，每一個(gè)所述組合單元包括上電極層、下電極層和位于所述上電極層和所述下電極層之間的至少兩層有機(jī)薄膜層，所述至少一個(gè)組合單元中的每一者的所述有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降； 外包封裝層，用于封裝所述有機(jī)薄膜疊加體；以及 引出電路，所述引出電路分別電連接至所述有機(jī)薄膜疊加體兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中，所述組合單元中所述有機(jī)薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面經(jīng)過砂紙打磨處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中經(jīng)過砂紙打磨處理的所述有機(jī)薄膜層的所述表面具有納米或者微米級(jí)的表面粗糙度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中，多個(gè)組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中構(gòu)成所述有機(jī)薄膜層的材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應(yīng)的柔性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中所述組合單元中的所述有機(jī)薄膜層之間采用能夠相對(duì)移動(dòng)的疊加方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中構(gòu)成每層所述有機(jī)薄膜層的材料為下列材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中任意所述電極層是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物膜涂層電極層中的一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中，所述上電極層和下電極層的厚度為50nm-100nmo
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中所述有機(jī)薄膜層的彼此接觸的兩個(gè)表面采用單層打磨、雙層平行打磨和雙層交叉打磨中的一種打磨圖樣。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)，其中，所述組合單元中包括2層或者3層有機(jī)物薄膜層。
12.—種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法,該制備方法包括: 用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要打磨的表面； 將至少兩層所述有機(jī)薄膜層以能夠相對(duì)移動(dòng)的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機(jī)薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構(gòu)成材料在摩擦電勢(shì)序列中的排序依次上升或者依次下降； 在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最上層的所述有機(jī)薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機(jī)薄膜層中最下層的所述有機(jī)薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元； 將至少一個(gè)所述組合單元組成有機(jī)薄膜疊加體，其中所述至少一個(gè)所述組合單元中的每一者的所述有機(jī)薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機(jī)薄膜疊加體的兩端；以及 用外包封裝層封裝所述有機(jī)薄膜疊加體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法，多個(gè)組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法，其中用砂紙打磨有機(jī)薄膜層的需要被打磨表面包括: 將所述有機(jī)薄膜層水平放置，并且將需要打磨的所述表面朝上放置； 將所述砂紙覆蓋在所述有機(jī)薄膜層上； 將重物放置于所述砂紙上；以及 固定所述重物和所述有機(jī)薄膜層，平拉所述砂紙。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)的制備方法，其中所述砂紙是280目、320目、400 目、500 目、600 目、800 目、1000 目、1200 目、1400 目、1600 目、1800 目、2000 目、2500目、3000目、3500目和4000目規(guī)格砂紙中的一種。
16.—種有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組,該有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)組由根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)并聯(lián)和/或串聯(lián)形成，或者由根據(jù)權(quán)利要求12-15中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法 制備的有機(jī)薄膜發(fā)電機(jī)并聯(lián)和/或串聯(lián)形成。
【文檔編號(hào)】H02N1/04GK103888016SQ201410128479
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】李舟, 馮絲雨, 李璇, 石波璟, 鄭強(qiáng), 王中林 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心