一种基于异质结结构的压电能量收集器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于异质结结构的压电能量收集器的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备分散性好的、压电系数高的钙钛矿型压电颗粒；（2）在钙钛矿型压电颗粒上原位生长分散性好的金属纳米颗粒，形成异质结；（3）将具有异质结结构的压电颗粒与多壁碳管、PDMS混合，制备复合薄膜；（4）将复合薄膜溅射电极、焊接引线、封装后制备压电能量收集器件。本发明专利技术所制备的含异质结的压电能量收集器具有优异的电学输出性能，其输出电压和电流比目前报道的不含异质结的压电能量收集器高1~2个数量级。该方法对于各种钙钛矿型压电基的能量收集器性能提升具有普适性。同时，该压电能量收集器可收集环境中不规则机械能，并能检测物体变形和运动等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异质结结构的压电能量收集器的制备方法
本专利技术涉及一种基于异质结结构的压电能量收集器的制备方法，属于微纳电子器件制备领域。
技术介绍
随着全球气候变暖和化石燃料的消耗，世界各国都加大了对可再生绿色能源的研究和开发。利用压电材料的压电效应制备而成的能量收集器件可以直接利用生活中不规则的机械能，并直接转化成电能，在日常生活中的各个领域展现了巨大的潜在应用前景。因此，压电能量收集器的研究受到了极大的关注。目前国际上压电能量收集器的研究刚刚起步。例如美国佐治亚理工大学王中林教授课题组利用兼具压电性和半导体特性的氧化锌纳米阵列，制备成纳米压电发电机，可输出0.1V的电压；随后，CdS、AlN、GaN等半导体压电阵列也被用于开发制备纳米发电机，可以实现能量输出，但是功率不够大，输出效率需要进一步提高；韩国先进科学技术研究院KeonJaeLee教授等人，将具有高压电常数（d33~500pC/N）的Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）基钙钛矿型压电材料与多壁碳管等导电材料复合，并用PDMS封装，上下涂覆电极后，制备成压电能量收集器件，输出电能得到极大提高，一块3cm×3cm压电薄膜制备的能量收集器件的开路电压可达10V，输出电流达到1.2μA。尽管输出电能相比半导体压电阵列基压电发电机已经有很大的提高，但是仍然较低，不能达到实际应用水平。
技术实现思路
为了提高压电能量收集器的输出功率，本专利技术的目的是通过在压电颗粒表面引入金属/绝缘体异质结结构，促进复合薄膜中压电颗粒的极化，提高压力作用下薄膜的压电电势，从而输出的开路电流和短路电压比目前压电复合能量收集器高1~2个数量级。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：（1）采用传统固相法制备钙钛矿型压电颗粒。具体流程为：根据化学计量比称量原料，使用乙醇或者水作为介质，将所有原料在球磨机中混合8~24小时；将混合物烘干后，放入氧化铝坩埚中，在800~1100℃下预烧2~24小时；然后将预烧粉体放入球磨罐中，在球磨机中粉碎10~24小时，获得钙钛矿型压电粉末。（2）原位光还原法在压电颗粒上生长贵金属纳米颗粒，具体流程为：将（1）步骤中获得的钙钛矿型压电粉末与贵金属硝酸盐的乙醇溶液在黑暗中混合30分钟，然后在连续搅拌条件下紫外光下照射30分钟；然后离心分离获得粉末，并用去离子水多次洗涤去除未反应物和其他杂质；最后在N2气氛和60℃条件下干燥获得具有异质结结构的钙钛矿型压电粉末。（3）制备压电复合薄膜，具体流程为：将具有异质结结构的钙钛矿型压电颗粒、多壁碳管（MW-CNT）、PDMS溶液等在N2气氛中机械搅拌，混合分散均匀后倒入丙烯酸槽中，并在80~100℃和N2气氛下烘干，固化成复合薄膜。随后，在真空条件下将膜在60~80℃和50MPa下热压。（4）组装压电能量收集器：在薄膜两面溅射Au做电极，并在电极上焊接铜线引出；在80~100℃下，对复合薄膜施加5~15kV/mm的电场极化6~24小时；最后，将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜作为包装层覆盖在复合薄膜上下两面上，制备成压电能量收集器件。（5）电学输出性能测试：将压电能量收集器开路接入示波器，测试其输出电压；短路接入皮安计，测试其输出电流；串联接入不同阻值的电阻，通过测试电路中电流和电压，计算其输出功率。本专利技术所制备的压电能量收集器，性能优异，开路电压最大可达230V，短路电流最大可达22μA，最大功率密度可达1.13mW，比其他复合薄膜基压电能量收集器的输出高1~2个数量级。同时，我们展示了该压电能量收集器可从环境中获取能量，如在人踩踏过程中，可直接产生电能。此外，我们还展示了利用该压电能量收集器检测物体变形和运动的可行性。这种压电能量收集器可以将环境中不规则的机械能回收，直接产生电能，可为无线传感器件、生物器件、便携式电子器件等供电，具有很大的应用前景。附图说明图1为对比例中制备的KNN粉体的X射线衍射（XRD）图谱。图2为对比例中制备的KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图3为对比例中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图4为对比例中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。图5为实施例1中制备的1%Ag负载KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图6为实施例1中制备的复合压电薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。图7为实施例1中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图8为实施例1中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。图9为实施例2中制备的2%Ag负载KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图10为实施例2中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图11为实施例2中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。图12为实施例3中制备的3%Ag负载KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图13为实施例3中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图14为实施例3中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。图15为实施例3中制备的压电能量收集器在外电路负载下的瞬时功率图。图16为实施例3中制备的压电能量收集器在人踩踏过程中的响应曲线。图17为实施例3中制备的压电能量收集器在手指弯曲时的响应曲线。图18为实施例4中制备的4%Ag负载KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图19为实施例4中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图20为实施例4中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。图21为实施例5中制备的5%Ag负载KNN粉体的透射电子显微镜（TEM）照片。图22为实施例5中制备的压电能量收集器输出的短路电流图。图23为实施例5中制备的压电能量收集器输出的开路电压图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步说明，但是这些实施例并不是对
技术实现思路
的限制，而只是示意型的说明。下述实施例和对比例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例和对比例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。对比例、制备纯KNN基压电能量收集器对比例制备流程包括以下步骤（1）固相法制备(K0.5Na0.5)NbO3（KNN）粉体：原料为分析纯的Nb2O5，Na2CO3和K2CO3颗粒。根据化学计量比称量，使用乙醇作为介质，将所有原料在行星式球磨机中混合8小时。将粉末混合物在900℃下煅烧5小时，然后在行星式球磨机中粉碎10小时，获得KNN粉末。（2）制备压电复合薄膜：10wt％KNN粉末、1wt％多壁碳管（MW-CNT）、89wt%的PDMS溶液在N2中机械搅拌6小时，混合分散均匀后倒入丙烯酸槽中，并在80℃和N2气氛下烘干，固化成厚度为1mm的复合薄膜。随后，在真空条件下将膜在80℃和50MPa条件下热压。（3）组装能量收集器：在薄膜两面溅射Au做电极，并在电极上焊接铜线引出；在100℃下，对复合薄膜施加10kV/mm的电场极化12小时；最后，将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜作为包装层覆盖在复合薄膜上下两面上，组装成为压电能量收集器件。本对比例制备的KNN粉体的XRD图谱见图1，从图中可以看出，结晶性良好且无明显杂相；从图2粉体的TEM照片可以看出，颗粒尺寸约为200纳米，分散性良好，粒径均匀。本对比例制备的压电能量收集器的输出短路电流如图3所示，开路电压如图4所示，短路电流约为0.3μA，输出开路电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于异质结结构的压电能量收集器，其特征在于，包括步骤：Ⅰ制备分散性好的、压电系数高的钙钛矿型压电颗粒；Ⅱ在钙钛矿型压电颗粒上原位生长分散性好的金属纳米颗粒；Ⅲ将具有异质结结构的压电颗粒与多壁碳管、PDMS溶液混合，烘干制备复合薄膜；Ⅳ将复合薄膜溅射电极、焊接引线、封装后制备压电能量收集元型器件；Ⅴ对器件施加单轴压力，测试其电学输出性能。

【技术特征摘要】
1.一种基于异质结结构的压电能量收集器，其特征在于，包括步骤：Ⅰ制备分散性好的、压电系数高的钙钛矿型压电颗粒；Ⅱ在钙钛矿型压电颗粒上原位生长分散性好的金属纳米颗粒；Ⅲ将具有异质结结构的压电颗粒与多壁碳管、PDMS溶液混合，烘干制备复合薄膜；Ⅳ将复合薄膜溅射电极、焊接引线、封装后制备压电能量收集元型器件；Ⅴ对器件施加单轴压力，测试其电学输出性能。2.根据权利要求1所述的一种基于异质结结构的压电能量收集器，其特征在于所述步骤Ⅰ包括如下工序：（1）以氧化物或者碳酸盐为原料，按照化学计量比称量相应的原料，使用乙醇或者水作为介质，将原料和球磨介质放到球磨罐中，混合8~24小时；（2）将混合均匀的原料在烘箱烘干，并用100目筛子过筛；（3）将混合均匀的原料放到氧化铝坩埚中，在800~1100℃下预烧2~6小时；（4）将预烧后粉体磨碎，并用100目筛子过筛；（5）将过筛粉体与球磨介质乙醇或者水一起放入球磨罐中，球磨8~24小时，烘干后获得钙钛矿型压电粉体。3.根据权利要求1所述的一种基于异质结结构的压电能量收集器，其特征在于所述步骤Ⅱ包括如下工序：（1）配置AgNO3的乙醇溶液，并置于黑暗环境中，防止AgNO3分解；（2）按化学计量比称取一定量的钙钛矿型压电粉体，量取一定量的AgNO3乙醇溶液，并添加一定量的乙醇，在黑暗中机械搅拌混合30分钟，使钙钛矿压电粉体、AgNO3和乙醇溶液充分混合均匀；（3）将混合溶液在连续搅拌条件下，并在一定强度的紫外光下照射10~60分钟，烧杯底部与光源之间的距离固定在10~30厘米；（4）将钙钛矿压电粉体通过离心分离，并用去离子水洗涤，去除未反应的硝酸盐等杂质；（5）在N2气氛和60℃条件下干燥获得长有异质结的钙钛矿压电粉末。4.根据权利要求1所述的一种基于异质结结构的压电能量收集器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郇宇，宋嘉南，张晓珊，魏涛，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37