复合型纳米发电机问世 太阳能和机械能同时收集

光谷子

能同时收集太阳能和机械能的复合型发电机问世。（图片提供：王中林）

　　人类一直试图让设备自动从周围环境中获取能量。早在20世纪初，研究人员就通过不同的途径研究此类设备。如今，美国佐治亚理工学院教授王中林的研究小组开发出能同时收集太阳能和机械能的复合型纳米发电机，并首次实现了能同时收集多种能源的单一集成器件。这一最新的研究成果发表在《美国化学会志》网络版上。

　　王中林、王旭东博士和博士生许晨等在他们2006年发明的直流纳米发电机的基础上，集成了染料敏化太阳能电池的功能。两个发电单元都基于氧化锌纳米阵列，共用同一个金属电极。此外，通过不同的设计及组装步骤，太阳能电池和纳米发电机可以实现串联和并联的集成方式。

　　迄今为止，人类所使用的太阳能电池和机械能驱动的发电机都是根据不同的工作原理设计的独立器件。但是人类对能源的需求日益增加，迫切需要一种能全天候收集所有可用的各种形式的能源的技术，特别是太阳能和机械能。王中林小组的研究成果表明，他们研制出一种能同时收集太阳能和机械能的新型集成发电机。经过测试，这两部分功能单元既能同时实现又能独立且不受影响地工作。而且，通过两种不同的串并联设计，输出电流、电压及功率实现了明显的提升。除此之外，该研究还发现太阳能电池单元的电压输出能够大大提高纳米发电机的输出电压。

　　王中林介绍说，在串联集成发电机中，太阳能电池单元的阳极和纳米发电机的阴极被集成在同一块硅片上。在测试时，集成发电机置于模拟太阳光照下，其下部纳米发电机单元处于超声波发生装置中。由于超声波的驱动，氧化锌半导体和金属电极之间的肖特基势垒（指具有整流特性的金属—半导体接面）则能控制电荷的积累与释放，实现机械能到电能的转化，并产生了一个压电电势差，电子因此被注入中间电极中，同时又参与太阳能电池单元的氧化还原反应，因而增加了太阳能电池单元的电流输出。

　　而在与之相类似的并联集成发电机中，太阳能电池单元和纳米发电机的阳极被集成在同一块镀铂的硅片上。在同样的测试条件中，并联结构使电子在纳米发电机肖特基势垒区域积累，致使阴极阳极间的费米面能级被重新调整。实验结果表明，并联集成发电机可以将纳米发电机的输出电压从几个毫伏提高到几百个毫伏，它提供了一种新的纳米发电机储能的方式。

　　王中林说，人类生存的环境里存在各种各样的能量供我们开发利用，例如随机振动或运动动能（例如在靠近公路的地方）、太阳能、温度梯度势能（例如在数米深的地下温度梯度相对恒定）、生物化学能以及超声波，甚至声波噪音等外部能源。他们的这项新发明首次证明了同时收集多种能源的集成混合发电机是可行的，同时，该研究也开辟了高效地同时利用多种不同能量的研究领域。这将使人类无论何时何地都能更有效地利用任何可用的能源。（王丹红）

（责任编辑：夏明媛（实习））