图a为液滴发电机（DEG）的原理图。图b为玻璃基板上4个平行DEG器件的光学照片。
《自然》杂志报道，香港城市大学机械工程系Wang Zuankai教授、内布拉斯加大学林肯分校Zeng Xiao Cheng教授和中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所Wang Zhong Lin教授等，开发了一种具备类场效应晶体管（FET）结构的水滴发电机（DEG），这种发电机的能量转换效率和瞬时功率密度是无FET技术的同类产品的数千倍。该成果对于推进水能发电研究、解决能源危机有重要意义。
地球表面近七成的区域被水所覆盖。然而，受现有技术的限制，波浪、潮汐和雨滴中的低频动能还不能有效地转化为电能。例如，传统DEG虽然可以通过液滴接触表面时的接触带电和静电感应产生电能，但由于界面效应的限制，表面产生的电荷量非常有限，能量转换效率较低。
为了提高转换效率，Wang教授等花了两年时间对DEG技术进行深度开发，将瞬时功率密度提高到50.1 W/m2。他指出，有两个关键因素对新型DEG技术有显著影响。首先，研究人员发现液滴连续撞击PTFE（一种带准永久性电荷的驻极体材料），为高密度表面电荷的积累和存储提供了新途径。由此，表面电荷可逐渐达到饱和。这一发现有助于克服此前的低电荷密度瓶颈。其次，他们设计了一种独特的类FET结构。FET是现代电子设备的基本元件之一，主要由铝电极和沉积PTFE薄膜-铟锡氧化物（ITO）电极构成。PTFE/ITO电极负责电荷的产生、存储和诱导。当滴落的水滴撞击并扩散到PTFE/ITO表面时，铝电极和PTFE/ITO电极之间就会“搭桥”，将系统转化为闭环电路。
借助这两处关键发现和设计，新DEG技术的瞬时功率和能量转换效率显著提升。Wang教授说：“体积100微升的水滴从15厘米高度滴落后，可以产生超过140伏特的电压，产生的能量足以点亮100个小型LED灯。此外，瞬时功率密度的增加值不是来自额外能量，而是来自其本身动能的转换。因此，这种发电方式的自由度和可再生度很高。”Wang教授等还发现，相对湿度降低不会影响发电效率。雨水和海水都可以用于发电。
Wang教授表示，他希望这项研究的成果能有助于水能的利用，以应对全球可再生能源短缺问题。他说：“与石化能源和核能相比，通过水能发电促进全球可持续发展是安全和环保的。长远来看，新型DEG技术可以考虑应用于各种液-固界面，从而充分利用水中的低频动能。”
期刊编号：0028-0836
原文链接：https://techxplore.com/news/2020-02-droplet-based-electricity-140v-power-bulbs.html
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