随着人类社会的快速发展，对能源的需求大幅增加。然而，化石燃料的燃烧会产生大量温室气体，加剧全球变暖。为了减少碳排放，采用可再生能源已成为国际趋势。最近有文章提出并开发了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）叉指电极的雨摩擦纳米发电机（R-TENG），用于收集雨水能量，如图1所示。R-TENG由聚合物基板上的LIG叉指电极组成。疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为保护层。在LIG叉指电极的设计中，测量了PDMS表面水滴的直径，并通过观察多孔石墨烯结构来研究LIG电极的生产参数。
图1.基于LIG叉指电极的R-TENG。
R-TENG的工作原理如图2所示。当水滴接触PDMS层时，接触起电会分别在水滴和PDMS层中产生正极性和负极性。负电荷积聚在LIG叉指电极的第一个电极上，以覆盖液滴的正电荷。LIG叉指电极的其他电极带正电，以中和PDMS的负电荷，如图2(a)所示。当液滴开始沿着PDMS层移动时，积累的负电荷沿着LIG叉指电极流动，产生电流，如图2（b）所示。当液滴到达LIG叉指电极的第二电极顶部时，负电荷积累并有效覆盖液滴的正电荷，如图2（c）所示。当液滴沿着PDMS层进一步移动时，积累的负电荷沿着LIG叉指电极反向流动，如图2（d）所示。因此，当液滴到达两个相邻电极之间的一点时，积累的电荷来回移动，产生大量的交流电。
图2.R-TENG的工作原理。
设计的LIG叉指电极的详细尺寸如图3（a）所示。激光烧蚀路径垂直和水平相交，每条激光烧蚀线之间的间距为0.1 mm，如图3（b）所示。LIG叉指电极包括七个宽度（W）为3 mm的指状电极。相邻的指状电极间隔1 mm的间隙（S）以确保电气断开
图3.(a)设计的电极图案示意图。(b)激光扫描路径。
S-TENG的制作过程如图4所示。首先，将125 μm厚的聚酰亚胺（PI）薄膜固定在玻璃基板上，然后使用波长为450 nm的半导体固态激光器以25 mm s−1的扫描速度在PI薄膜上进行扫描和烧蚀，得到LIG电极。再然后将铜片贴在电极两端，方便接下来的实验和测试。最后在LIG电极上以400 rpm的转速旋涂150 um的PDMS保护层。
图4.R-TENG的制造过程。
当液滴从不同高度和倾斜角度落下时，液滴在PDMS表面的接触面积不同，导致输出电压不同。R-TENG的测量输出电压如图5所示。由图可得随着液滴从增加的高度落下，液滴在 PDMS 表面上的接触面积增加，从而产生更高的输出电压。然而，当液滴高度超过20 cm时，液滴接近终端速度。此时，液滴在接触PDMS表面时具有恒定的速度，导致PDMS表面上的接触面积相同并保持一致的输出电压。倾斜角度同理，当角度超过50°时，由于水滴表面能对水滴变形的限制，输出电压保持不变。
图5.(a)R-TENG 在不同液滴落下高度时的输出电压。(b)倾斜角度。
为了全面表征R-TENG作为电源的特性，测量了其在不同负载电阻下的电气性能，结果如图6所示。输出电压随着负载电阻的增加而增加。此外，当负载电阻在10 Ω至1 MΩ之间时，功率增加，而当负载电阻大于1 MΩ时，功率开始下降。当负载电阻为1 MΩ时，实现了21.6 μW的最大功率。
图6.R-TENG的功率和输出电压。
原文链接：https://doi.org/10.35848/1347-4065/ad1fb3
Study and fabrication of rain triboelectric nanogenerator based on laser-induced graphene interdigital electrode
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