交流驱动的电致发光器件（Alternative Current Electroluminescent, ACEL）是一种具有发光均匀、功耗低、工艺成本低、重量轻和形状灵活等优点的柔性可发光器件，广泛用于装饰照明、气体传感器、便携式电子设备、薄膜型固态照明显示屏等等。然而，ACEL固有的高驱动电压通常需要高压交流电，这导致其面临着对能源系统的依赖性强、佩戴舒适度和便携性差等问题，严重影响了其在人机交互、可穿戴服饰、软体机器人、自供电监控和便携电子设备等领域的实际应用。
清华大学机械系摩擦学国家重点实验室季林红教授、程嘉副研究员等人提出了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的新型电容器件驱动策略。该电容驱动策略可以在不受器件面积、材料、环境湿度等限制下显著提升TENG的输出电压。峰值电压高达传统方法的2.3倍，转移电荷增加到3.4倍。该基于TENG的自供能电致发光器件具有结构紧凑、输出性能优异、高柔性和便携性等优点，可应用于柔性机器人、柔性显示器、智能皮肤和可穿戴电子产品等领域。该技术对于探索提高TENG输出性能的新型机制与方法具有重要的指导意义。该研究以题为“Alternating Current Electroluminescent Device Powered by Triboelectric Nanogenerator with Capacitively Driven Circuit Strategy”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【ACEL器件的制备及其光学特性】
ACEL器件由几个功能层组成，本装置中透明基板为PVC；透明电极为PETOT:PSS；荧光粉层为ZnS:Al复合粉体；绝缘层为BaTiO3粉末；金属电极为纳米银粉。如图1所示，其结构自下而上分别为透明基板、透明电极、荧光粉层、绝缘层和金属电极。此外，各层的元素分布明显，不存在元素扩散现象，说明制备所得ACEL具有明确的分层结构。为了研究该 ACEL 器件的光学特性，作者对其进行了光谱分析，结果发现光谱强度随着交流频率的增加而增加。为了评估器件的稳定性，ACEL由50 Hz和300 V@Vpp 的交流电持续驱动，同时每隔一小时测试一次发光光谱。结果发现每个波长的发光强度没有显著变化，这表明制造的ACEL器件具有良好的稳定性。
图1 ACEL的材料和结构表征
【电路原理及器件结构】
通过TENG驱动ACEL的工作原理如图2所示。左上部分为接触分离式的TENG，摩擦材料分别为PVC和尼龙薄膜。通过电容器和二极管的电路组合，每个电容器都可以使TENG的输出电压峰值增加一倍。可变电容和ACEL串联在整流电路的两个节点上，从而使交流电压施加到ACEL的金属电极上。作者设计了可平行移动的三明治结构，铜/PVC、铜/尼龙双层都附着在PLA基材的表面，结构左侧布置了三个触点分离式的TENG以实现高输出交流电压。当最右边的PLA基材向左移动时，所有的层状结构都会通过弹簧的挤压作用向左移动，反之亦然。当基板向左移动时，可变电容器的电容不断增加，反之则减少。因此，PLA 基板的左右往复运动将实现TENG的连续输出。
图2电路图及工作原理、器件制作工艺
【TENG驱动ACEL的实际应用】
作者测量了TENG的开路电压和短路电流，随着实验时间的推移，开路电压没有明显变化，表明该装置具有良好的稳定性和耐用性。作者将一定数量的固定电容（330 pF）串联到TENG上，考察其输出电压和电荷，结果表明峰值电压高达普通的2.3倍，转移电荷增加到3.4倍。该TENG和ACEL的复合装置可以有效地收集环境中的机械能，如铁路、桥梁和发动机内的振动能，以驱动大面积 ACEL 装置进行警告或照明。作者使用直线电机模拟使用复合装置监测桥梁横向振动的过程（图4f）。在手动敲击的驱动下，ACEL设备在电荷积累 25 秒后开始发光。之后，在持续的机械激励下，电荷的积累不断增加，亮度不断增加，在机械激发约 80 秒后达到最大值。该ACEL的成功演示表明了该策略在基于TENG驱动ACEL上的可行性和潜在应用。
图3 TENG的电气性能、功率特性和耐用性
图4 TENG驱动ACEL器件
总结：作者提出了一种新的电容驱动策略，并设计了一种结合 TENG 和可变电容器的复合夹层结构，该结构可以收集环境中的机械能以产生高交流电压为 ACEL 设备供电。该器件可以降低ACEL对供电系统的依赖，扩大其在移动电子领域的应用。同时，该工作还为人机交互、可穿戴电子服装、柔性电子显示器等领域的各类电容设备提供了通用的驱动策略。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202106411
来源：高分子科学前沿
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