圖a為液滴發電機（DEG）的原理圖。圖b為玻璃基板上4個平行DEG器件的光學照片。
《自然》雜誌報道，香港城市大學機械工程系Wang Zuankai教授、內布拉斯加大學林肯分校Zeng Xiao Cheng教授和中國科學院北京納米能源與納米系統研究所Wang Zhong Lin教授等，開發了一種具備類場效應晶體管（FET）結構的水滴發電機（DEG），這種發電機的能量轉換效率和瞬時功率密度是無FET技術的同類產品的數千倍。該成果對於推進水能發電研究、解決能源危機有重要意義。
地球表面近七成的區域被水所覆蓋。然而，受現有技術的限制，波浪、潮汐和雨滴中的低頻動能還不能有效地轉化為電能。例如，傳統DEG雖然可以通過液滴接觸表面時的接觸帶電和靜電感應產生電能，但由於界面效應的限制，表面產生的電荷量非常有限，能量轉換效率較低。
為了提高轉換效率，Wang教授等花了兩年時間對DEG技術進行深度開發，將瞬時功率密度提高到50.1 W/m2。他指出，有兩個關鍵因素對新型DEG技術有顯著影響。首先，研究人員發現液滴連續撞擊PTFE（一種帶準永久性電荷的駐極體材料），為高密度表面電荷的積累和存儲提供了新途徑。由此，表面電荷可逐漸達到飽和。這一發現有助於克服此前的低電荷密度瓶頸。其次，他們設計了一種獨特的類FET結構。FET是現代電子設備的基本元件之一，主要由鋁電極和沉積PTFE薄膜-銦錫氧化物（ITO）電極構成。PTFE/ITO電極負責電荷的產生、存儲和誘導。當滴落的水滴撞擊並擴散到PTFE/ITO表面時，鋁電極和PTFE/ITO電極之間就會“搭橋”，將系統轉化為閉環電路。
藉助這兩處關鍵發現和設計，新DEG技術的瞬時功率和能量轉換效率顯著提升。Wang教授說：“體積100微升的水滴從15釐米高度滴落後，可以產生超過140伏特的電壓，產生的能量足以點亮100個小型LED燈。此外，瞬時功率密度的增加值不是來自額外能量，而是來自其本身動能的轉換。因此，這種發電方式的自由度和可再生度很高。”Wang教授等還發現，相對溼度降低不會影響發電效率。雨水和海水都可以用於發電。
Wang教授表示，他希望這項研究的成果能有助於水能的利用，以應對全球可再生能源短缺問題。他說：“與石化能源和核能相比，通過水能發電促進全球可持續發展是安全和環保的。長遠來看，新型DEG技術可以考慮應用於各種液-固界面，從而充分利用水中的低頻動能。”
期刊編號：0028-0836
原文鏈接：https://techxplore.com/news/2020-02-droplet-based-electricity-140v-power-bulbs.html
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