有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和有機薄膜發(fā)電機組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和有機薄膜發(fā)電機組。該有機薄膜發(fā)電機包括至少一個組合單元的有機薄膜疊加體，每個組合單元包括上、下電極層和位于兩個電極層之間的至少兩層有機薄膜層，每一個組合單元中的有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降，其中有機薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面經(jīng)過砂紙打磨處理。該有機薄膜發(fā)電機還可包括外包封裝層和引出電路。本發(fā)明提供了一種結(jié)構簡單、質(zhì)量輕盈、易于實現(xiàn)并且可提供較高電輸出的有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和由其構成的發(fā)電機組，對于有機薄膜發(fā)電機的市場化應用具有重大意義。
【專利說明】有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和有機薄膜發(fā)電機組
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電【技術領域】，具體地，涉及有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和發(fā)電機組。
【背景技術】
[0002]目前全球都面臨著常規(guī)能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力。各種新型發(fā)電形式的開發(fā)和應用，對緩解當前的能源壓力起著重要作用。尋求減少環(huán)境破壞和自然資源消耗的新型發(fā)電形式，已成為可持續(xù)發(fā)展趨勢的必然要求。因此，開發(fā)和應用新型發(fā)電原理、材料和設備，對環(huán)境保護和能源節(jié)約具有重大意義。
[0003]另一方面，微電子【技術領域】中便攜式電子設備和微型自驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，要求發(fā)電機具有更高的發(fā)電效率和更小的質(zhì)量及體積，也對傳統(tǒng)的發(fā)電裝置提出了新的挑戰(zhàn)。
[0004]制造常規(guī)發(fā)電機需要大量金屬材料，并且其體型龐大無法應用于便攜式、植入式及小型自驅(qū)動式電子設備。通常常規(guī)的發(fā)電方式還可能導致環(huán)境破壞和資源消耗。
[0005]有機薄膜材料一般為優(yōu)良的電絕緣體，對電子的約束能力不同的材料在相互接觸和/或摩擦時會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，使得到電子的材料帶負電，失去電子的材料帶正電。材料在與其他材料相互接觸和/或摩擦時得到電子的能力由低到高的排列序列即為摩擦電勢序列(Triboelectricity series)。在兩種不同的材料發(fā)生接觸和/或摩擦時，排序靠前的材料表面帶正電，排序靠后的材料表面帶負電。其他條件相同的情況下，兩種材料接觸和/或摩擦中產(chǎn)生的電量與該兩種材料在摩擦電勢序列中的距離有關，距離愈大，表面可產(chǎn)生的電量愈多。自摩擦電勢序列提出至今，其原理已被廣泛驗證，各種已知和新合成材料的相對的電子能也被不斷明晰準確。
[0006]美國佐治亞理工學院教授王中林等曾提出利用有機薄膜接觸和/或摩擦發(fā)電的發(fā)電機。試驗表明，對有機薄膜表面進行微觀處理以增加接觸面的表面積，可以提高該發(fā)電機輸出的電信號?，F(xiàn)有文獻中采用光刻蝕法(Photolithography)和/或深反應離子刻蝕法(Deep Reactive 1n Etching)對薄膜材料進行表面處理,這些方法不僅需要昂貴的專業(yè)刻蝕設備，操作起來也復雜耗時，并且對操作人員的技術水平要求很高，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種低成本并且能提供較高電輸出的有機薄膜發(fā)電機及其制備方法，本發(fā)明還提供了由該有機薄膜發(fā)電機構成的有機薄膜發(fā)電機組。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種有機薄膜發(fā)電機，該有機薄膜發(fā)電機可包括:有機薄膜疊加體，所述有機薄膜疊加體包括至少一個組合單元，每一個所述組合單元包括上電極層、下電極層和位于所述上電極層和所述下電極層之間的至少兩層有機薄膜層，所述至少一個組合單元中的每一者的所述有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降；外包封裝層，用于封裝所述有機薄膜疊加體；以及引出電路，所述引出電路分別電連接至所述有機薄膜疊加體兩端。
[0009]優(yōu)選地，所述組合單元中所述有機薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面可經(jīng)過砂紙打磨處理。
[0010]優(yōu)選地，經(jīng)過砂紙打磨處理的所述有機薄膜層的所述表面可具有納米或者微米級的表面粗糙度。
[0011]其中，同一個有機薄膜疊加體中的多個組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
[0012]優(yōu)選地，構成所述有機薄膜層的材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應的柔性材料。
[0013]優(yōu)選地，所述組合單元中的所述有機薄膜層之間采用能夠相對移動的疊加方式。
[0014]優(yōu)選地，構成每層所述有機薄膜層的材料可以為下列材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。
[0015]優(yōu)選地，任意所述電極層可以是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物膜涂層電極層中的一者。
[0016]優(yōu)選地，所述上電極層和下電極層的厚度可為50nm-100nm。
[0017]優(yōu)選地，所述有機薄膜層的彼此接觸的兩個表面可采用單層打磨、雙層平行打磨和雙層交叉打磨中的一種打磨圖樣。
[0018]優(yōu)選地，所述組合單元中可包括2層或者3層有機物薄膜層。
[0019]本發(fā)明還提供了一種有機薄膜發(fā)電機的制備方法，該制備方法可包括:用砂紙打磨有機薄膜層的需要打磨的表面；將至少兩層所述有機薄膜層以能夠相對移動的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降；在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最上層的所述有機薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最下層的所述有機薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元；將至少一個所述組合單元組成有機薄膜疊加體，其中所述至少一個所述組合單元中的每一者的所述有機薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機薄膜疊加體的兩端；以及用外包封裝層封裝所述有機薄膜疊加體。
[0020]其中，同一個有機薄膜疊加體中的多個組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
[0021]優(yōu)選地，用砂紙打磨有機薄膜層的需要被打磨表面可包括:將所述有機薄膜層水平放置，并且將需要打磨的所述表面朝上放置；將所述砂紙覆蓋在所述有機薄膜層上；將重物放置于所述砂紙上；以及固定所述重物和所述有機薄膜層，平拉所述砂紙。
[0022]優(yōu)選地，所述砂紙是280目、320目、400目、500目、600目、800目、1000目、1200目、1400目、1600目、1800目、2000目、2500目、3000目、3500目和4000目規(guī)格砂紙中的一種。
[0023]本發(fā)明還公開了一種有機薄膜發(fā)電機組，該有機薄膜發(fā)電機組由如上所述的多個有機薄膜發(fā)電機串聯(lián)和/或并聯(lián)構成。
[0024]通過上述技術方案，本發(fā)明提供了一種結(jié)構簡單、質(zhì)量輕盈、易于實現(xiàn)并且可提供較高電輸出的有機薄膜發(fā)電機及其制備方法和由其構成的有機薄膜發(fā)電機組，其對于有機薄膜發(fā)電機的市場化應用具有重大意義。
[0025]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0027]圖1是根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機的示意圖；
[0028]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機的示意圖；
[0029]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機的示意圖；
[0030]圖4示出了圖3中的一個組合單元的中間層的原理示意圖；
[0031]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0032]圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0033]圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖；
[0034]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機發(fā)電時的短路電流示意圖；
[0035]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機的制備方法；以及
[0036]圖10示出了用于打磨有機薄膜層表面的砂紙的目數(shù)對發(fā)電效果的影響。
【具體實施方式】
[0037]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0038]圖1是根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機的示意圖。有機薄膜疊加體2包括至少一個的組合單元。每個組合單元可包括上、下兩個電極層和位于兩個電極層中間的至少兩層有機薄膜層。有機薄膜疊加體2中的每一個組合單元中有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下各層材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升(或者依次下降)。其中，有機薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面可以經(jīng)過砂紙打磨處理，以增加有機薄膜層表面的粗糙度，從而增加有機薄膜層彼此接觸和/或摩擦時表面產(chǎn)生的靜電荷，以提高該有機薄膜發(fā)電機的電輸出。外包封裝層I用于封裝有機薄膜疊加體2。引出電路3可分別電連接至有機薄膜疊加體2的兩端，即引出電路3的一端電連接至有機薄膜疊加體2中最上面的組合單元的上電極層，引出電路3的另一端電連接至最下面的組合單元的下電極層。通常上電極層和下電極層的厚度遠小于有機薄膜層的厚度，例如，每個電極層的厚度約為nm (納米)或IOOnm量級,優(yōu)選為50nm-100nm,而有機薄膜層的厚度可達到μπι (微米)量級。
[0039]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可對有機薄膜層彼此接觸的接觸面的部分(如下述的單面打磨)或全部(如下述的雙面打磨)進行砂紙打磨處理，經(jīng)砂紙打磨處理后的表面上形成微米或者納米級的表面粗糙度。不同的打磨圖樣和不同目數(shù)的砂紙對發(fā)電效果的影響將在下文詳細描述。
[0040]優(yōu)選地，每一個組合單元中，上電極層和最上層的有機薄膜層之間、下電極層和最下層的有機薄膜之間可以以彼此固定的方式結(jié)合。例如，可以以射頻磁控濺射技術、原子層沉積技術或者電沉積技術等本領域技術人員了解的任意技術在有機薄膜層的表面形成電極層。
[0041]優(yōu)選地，同一組合單元中的不同有機薄膜層之間可采用自然疊加的能夠相對移動的疊加方式。
[0042]優(yōu)選地，所述有機薄膜層的構成材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應的柔性材料。優(yōu)選地，每一層有機薄膜層的構成材料可以是下列高分子有機材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。由于相鄰的有機薄膜層的構成材料在摩擦電勢序列中位置不同，所以當其彼此接觸和/或摩擦時，可在接觸面上產(chǎn)生靜電荷。如果將每個組合單元看作一個電容器，當外界壓力、震動或溫度等變化導致有機薄膜疊加體2產(chǎn)生一定形變時，則可認為每個電容器的電容值隨之改變，從而導致該電容器兩端的電壓發(fā)生變化，以向外界提供電輸出。
[0043]優(yōu)選地，任意一個電極層可以是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物(ITO)膜涂層電極層中的一者，同一組合單元中的上、下電極層可以相同或者不同。
[0044]如果有機薄膜疊加體2中所包括的組合單元多于一個，則多個組合單元可以以串聯(lián)的方式電連接，可用導線(例如銅線)串聯(lián)遵循相同排列規(guī)則的多個組合單元，具體地，可采用導線兩端分別電連接(例如通過導電銀膠粘連或者引線鍵合等)至一個組合單元的下電極層和另一個組合單元的上電極層的方式進行串聯(lián)。由于所有組合單元中的有機薄膜層遵循相同的排序規(guī)則，所以在相同或相似的形變過程中，各個組合單元產(chǎn)生相同方向的電輸出。因此由其串聯(lián)形成的有機薄膜疊加體2的輸出是其所包括的各個組合單元的電輸出的和，組合單元的數(shù)量越多，根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機的發(fā)電效率越高。有機薄膜疊加體2中所包括的組合單元的數(shù)量上限可受到制備工藝的限制，隨著組合單元增多，有機薄膜疊加體2會逐漸增厚，當其厚度超過限定值后，同步按壓有機薄膜疊加體2的難度會大大增加。
[0045]優(yōu)選地，外包封裝層I可以由有機高分子絕緣材料制成。
[0046]引出電路3可以通過本領域技術人員了解的任意技術手段(例如，導電銀膠粘連或者弓I線鍵合等)被電連接至有機薄膜疊加體2兩端的電極層，以輸出有機薄膜發(fā)電機所產(chǎn)生的電輸出。本實施方式中，引出電路3可以是導線。
[0047]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機的示例圖。在圖2中，有機薄膜疊加體2包括組合單元21和22。組合單元21中從上到下依次為上電極層211、有機薄膜層212、有機薄膜層213和下電極層214。組合單元22中從上到下依次為上電極層221、有機薄膜層222、有機薄膜層223和下電極層224。其中上電極層211和有機薄膜層212之間、有機薄膜層213和下電極層214之間、上電極層221和有機薄膜層222之間、有機薄膜層223和下電極層224之間均以電極層制備在有機薄膜層上的方式固定結(jié)合。有機薄膜層212和有機薄膜層213之間、有機薄膜層222和有機薄膜層223之間以自然疊加的能夠相對移動的方式疊加。有機薄膜層212和222的下表面、有機薄膜層213和223的上表面具有經(jīng)砂紙打磨處理后形成的納米級的表面粗糙度。設構成有機薄膜層212的材料為A，構成有機薄膜層213的為B，構成有機薄膜層222的材料為Al，構成有機薄膜層223的為BI，其中A在摩擦電勢序列中的排序在B之前，Al在BI之前(或者A排序在B之后，Al在BI之后)?？衫斫獾氖?，A和Al可以是相同或者不同的材料，同樣B和BI可以是相同或者不同的材料。銅線兩端分別電連接至電極層214和221以實現(xiàn)組合單元21和22的串聯(lián)。有機薄膜疊加體2被外包封裝層I封裝。引出電路3的兩端分別電連接至電極層211和電極層224,以向外提供電輸出。
[0048]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機的示例圖。如圖所示，有機薄膜疊加體2包括組合單元21和22。組合單元21中從上到下依次為上電極層211、有機薄膜層212、有機薄膜層213、有機薄膜層214和下電極層215。組合單元22中從上到下依次為上電極層221、有機薄膜層222、有機薄膜層223、有機薄膜層224和下電極層225。其中每個組合單元中，電極層和與其相鄰的有機薄膜層間以電極層制備在有機薄膜層上的方式固定結(jié)合，相鄰有機薄膜間以自然疊加的能夠相對移動的方式疊加。相鄰兩個有機薄膜層彼此接觸的表面上具有經(jīng)砂紙打磨處理后形成的微米級的表面粗糙度。設構成有機薄膜層212的材料為A，構成有機薄膜層213的為B，構成有機薄膜層214的材料為C，構成有機薄膜層222的材料為Al，構成有機薄膜層223的為BI，構成有機薄膜層224的材料為Cl，其中A在摩擦電勢序列中的排序在B之前，B在C之前，Al在BI之前，BI在Cl之前(或者A排序在B之后，B在C之后，Al在BI之后，BI在Cl之后)。可理解的是，A和Al可以是相同或者不同的材料，同樣B和BI可以是相同或者不同的材料，C和Cl可以是相同或者不同的材料。銅線兩端分別電連接至電極層215和221以實現(xiàn)組合單元21和22的串聯(lián)。有機薄膜疊加體2被外包封裝層I所封裝。引出電路3的兩端分別電連接至電極層211和電極層225,以向外提供電輸出。
[0049]可理解的是，構成同一個有機薄膜疊加體的不同組合單元所包括的有機薄膜層的數(shù)目可以是相同的或者不同的。
[0050]當在摩擦電勢序列中排序不同的絕緣材料構成的有機薄膜層相互接觸和/或摩擦時，每一層材料的內(nèi)部可產(chǎn)生電荷分離，設某個有機薄膜層表面經(jīng)接觸和/或摩擦后帶負電，則有分離后的帶正電的電荷滯留在薄膜中，反之亦然，分離后的電荷產(chǎn)生的反向電場會阻礙電荷的進一步分離。當接觸和/或摩擦引起的電荷分離趨勢與每個有機薄膜內(nèi)部的反向電場力達到平衡時，有機薄膜層表面的電荷數(shù)量將停止增加，這限制了有機薄膜發(fā)電機的電輸出。圖3中示出的包括三層有機薄膜層的組合單元可有效緩解這種對電輸出的限制。原理參照圖4示出。
[0051]圖4示出了圖3中的一個組合單元的中間層的原理示意圖。在包括三層有機薄膜層的組合單元中，經(jīng)過接觸和/或摩擦之后，中間層的上下表面的凈電荷極性相反，滯留于中間層中間位置的電荷極性也相反。當中間層材料較薄時(IOOnm-1OOum之間)，中間層中部的滯留電荷可發(fā)生正負中和，從而減弱了部分反向電場，使上表面和下表面得以分離出更多電荷，因此可提高該組合單元可提供的電輸出。另外，可認為一個組合單元的上下電極和與其接觸的有機薄膜層構成了一個電容器，增加的中間層可起到增加電容器間距和增加電極層間電阻的作用，這可增加上下兩層間的電容，使整個組合單元蓄積電荷的能力提高，以提高其電輸出。因此，三層的組合單元相比于兩層有機薄膜組合單元能提供更高的電壓。
[0052]本發(fā)明中提出，有機薄膜層的表面經(jīng)過砂紙打磨，即可方便的獲得薄膜表面的圖案，增加有機薄膜層間互相接觸和/或摩擦時的接觸面積，提高發(fā)電機的輸出性能。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖5中分別示出了同一個組合單元中相鄰的兩層有機薄膜的彼此接觸的表面的打磨圖樣示例?？煽闯?，彼此接觸的兩個表面中，僅有一個表面經(jīng)過了砂紙打磨處理，另一個表面可不做砂紙打磨處理，在本文中可稱為
單層打磨。
[0053]圖6是本發(fā)明的另一個實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖6中分別示出了同一個組合單元中相鄰的兩層有機薄膜的彼此接觸的表面的打磨示例圖樣。可看出，彼此接觸的兩個表面均經(jīng)過砂紙打磨處理,且兩個表面的打磨圖樣相互平行,在本文中可稱為雙層平行打磨。
[0054]圖7是本發(fā)明的另一個實施方式的砂紙打磨圖樣的示意圖。圖7中分別示出了同一個組合單元中相鄰的兩層有機薄膜的彼此接觸的表面的打磨示例圖樣?？煽闯?，彼此接觸的兩個表面均經(jīng)過砂紙打磨處理，且兩個表面的打磨圖樣相互交叉(例如，相互垂直)，在本文中可稱為雙層交叉打磨。
[0055]圖6和圖7中的打磨圖樣都可被稱為雙層打磨。
[0056]實驗證明，在打磨所用砂紙目數(shù)相同的情況下，就所能提供的短路電路而言，雙層交叉打磨(例如圖7所示)>雙層平行打磨(例如圖6所示)>單層打磨(例如圖5所示)?？梢岳斫獾氖牵绢I域技術人員可以根據(jù)需要采用任意可提高有機薄膜層表面積的打磨圖樣。
[0057]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的有機薄膜發(fā)電機發(fā)電時的短路電流示意圖。測試上述有機薄膜發(fā)電機的發(fā)電性能的方法有多種。例如，可采用線性馬達水平夾持在有機薄膜發(fā)電機兩端，固定線性馬達的推進距離和頻率；在馬達驅(qū)動下，有機薄膜發(fā)電機周期性地發(fā)生形變，各層有機薄膜之間發(fā)生有規(guī)律的接觸和/或摩擦；將電路測量設備連接在有機薄膜發(fā)電機的引出電路上，即可得到該有機薄膜發(fā)電機的開路電壓、短路電流以及內(nèi)阻等發(fā)電機性能參數(shù)。根據(jù)該測試方式，根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機可獲得如圖8所示的具有交流電形式的短路電流輸出。同一個組合單元中相鄰的有機薄膜層的構成材料在摩擦電勢序列中排序不同，所以當其彼此接觸和/或摩擦時，在接觸面上可產(chǎn)生靜電荷，并且產(chǎn)生的靜電荷的數(shù)量可隨著接觸面積增大而增多。如果將每個組合單元看作一個電容器，當外界壓力、震動或溫度等變化導致有機薄膜疊加體產(chǎn)生一定形變時，各個電容器同步發(fā)生形變，因為電容器的電容值與其形狀(如極板間距)相關，所以可認為該電容器的電容值隨著形變發(fā)生變化，從而導致該電容器兩端的電壓發(fā)生變化，以向外界提供交流電輸出。該發(fā)電過程可通過上述實驗清晰觀察到。
[0058]本發(fā)明還公開了一種有機薄膜發(fā)電機的制備方法，該制備方法包括:用砂紙打磨有機薄膜層的需要被打磨表面；將至少兩層所述有機薄膜層以能夠相對移動的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降；在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最上層的所述有機薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最下層的所述有機薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元；將至少一個所述組合單元組成有機薄膜疊加體，其中所述至少一個所述組合單元中的每一者的所述有機薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機薄膜疊加體的兩端；以及用外包封裝層封裝所述有機薄膜疊加體。[0059]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的有機薄膜發(fā)電機的制備方法。
[0060]步驟SI，可用砂紙打磨有機薄膜層的需要被打磨的表面。優(yōu)選地，將有機薄膜水平放置，并且需要打磨的表面朝上放置，然后可將砂紙覆蓋在有機薄膜上，通常砂紙大小要超過有機薄膜，砂紙可在有機薄膜上來回移動，再將一重物(例如，砝碼或者鎮(zhèn)紙等)放置于砂紙上，固定砝碼和有機薄膜，同時緩慢的將中層砂紙平拉，直至將砂紙完全抽出，此時底層的有機薄膜層的表面即可產(chǎn)生一定的打磨圖樣。打磨次數(shù)可以為I次。彼此接觸的有機薄膜層的表面的打磨圖樣可以是單層打磨、雙層平行打磨或者雙層交叉打磨等。在圖10中示出了用于打磨的砂紙的目數(shù)對發(fā)電效果的影響。打磨所用的砂紙可為280目、320目、400目、500 目、600 目、800 目、1000 目、1200 目、1400 目、1600 目、1800 目、2000 目、2500 目、3000目、3500目或者4000目的標準規(guī)格。圖10所示的坐標系中，坐標軸A表示時間，坐標軸B表示電流強度。從圖10示出的實驗結(jié)果可看出，其他條件相同的情況下，在800目至2000目范圍內(nèi)，所用砂紙目數(shù)越聞，可提供的短路電路越聞。
[0061 ] 步驟S2，可將至少兩層已經(jīng)經(jīng)過打磨處理(如果需要)的有機薄膜層以能夠相對移動的方式疊加在一起，其中各個有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降。
[0062]步驟S3，可以在疊加在一起的至少兩層有機薄膜層中最上層的有機薄膜層的上表面形成上電極和在最下層的有機薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元?？梢砸陨漕l磁控濺射技術、原子層沉積技術或者電沉積技術等本領域技術人員了解的任意技術在有機薄膜層的表面形成電極層。
[0063]步驟S4，將至少一個組合單元組成有機薄膜疊加體。如果一個有機薄膜疊加體包括多個組合單元，則這些組合單元間可以以串聯(lián)的方式電連接。例如，可以通過導電銀膠粘連或者引線鍵合等本領域技術人員所了解的技術將導線(例如銅線)的一端電連接至一個組合單元的下電極，并且將導線(例如銅線)的另一端電連接至另一個組合單元的上電極，以實現(xiàn)組合單元間的串聯(lián)。有機薄膜疊加體中的每一個組合單元中的有機薄膜層的排序規(guī)則相同。
[0064]步驟S5，將引入電路分別電連接(例如導電銀膠粘連或者引線鍵合)至有機薄膜疊加體的兩端，即引入電路的一端電連接至串聯(lián)在一起的至少一個組合單元中最上面的組合單元的上電極，并且引入電路的另一端電連接至串聯(lián)在一起的至少一個組合單元中最下面的組合單元的下電極。
[0065]步驟S6，用外包封裝層封裝有機薄膜疊加體。優(yōu)選地，外包封裝層可以由有機高分子絕緣材料制成。
[0066]本發(fā)明還提供了一種有機薄膜發(fā)電機組，該有機薄膜發(fā)電機組包括多個上述的有機薄膜發(fā)電機。根據(jù)需要，這些有機薄膜發(fā)電機通過并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式組成有機薄膜發(fā)電機組。
[0067]以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0068]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0069]此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權利要求】
1.一種有機薄膜發(fā)電機，該有機薄膜發(fā)電機包括: 有機薄膜疊加體，所述有機薄膜疊加體包括至少一個組合單元，每一個所述組合單元包括上電極層、下電極層和位于所述上電極層和所述下電極層之間的至少兩層有機薄膜層，所述至少一個組合單元中的每一者的所述有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降； 外包封裝層，用于封裝所述有機薄膜疊加體；以及 引出電路，所述引出電路分別電連接至所述有機薄膜疊加體兩端。
2.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中，所述組合單元中所述有機薄膜層彼此接觸的表面中的部分或者全部的表面經(jīng)過砂紙打磨處理。
3.根據(jù)權利要求2所述的有機薄膜發(fā)電機，其中經(jīng)過砂紙打磨處理的所述有機薄膜層的所述表面具有納米或者微米級的表面粗糙度。
4.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中，多個組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中構成所述有機薄膜層的材料為具有摩擦和/或接觸產(chǎn)生靜電荷效應的柔性材料。
6.根據(jù)權利要求5所述的有機薄膜發(fā)電機，其中所述組合單元中的所述有機薄膜層之間采用能夠相對移動的疊加方式。
7.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中構成每層所述有機薄膜層的材料為下列材料中的一種:聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯彈性體、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。
8.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中任意所述電極層是金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒、上述任意金屬的合金和銦錫金屬氧化物膜涂層電極層中的一者。
9.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中，所述上電極層和下電極層的厚度為50nm-100nmo
10.根據(jù)權利要求1所述的有機薄膜發(fā)電機，其中所述有機薄膜層的彼此接觸的兩個表面采用單層打磨、雙層平行打磨和雙層交叉打磨中的一種打磨圖樣。
11.根據(jù)權利要求1-10任一項所述的有機薄膜發(fā)電機，其中，所述組合單元中包括2層或者3層有機物薄膜層。
12.—種有機薄膜發(fā)電機的制備方法,該制備方法包括: 用砂紙打磨有機薄膜層的需要打磨的表面； 將至少兩層所述有機薄膜層以能夠相對移動的方式疊加在一起，所述至少兩層所述有機薄膜層的排列規(guī)則是從上到下其構成材料在摩擦電勢序列中的排序依次上升或者依次下降； 在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最上層的所述有機薄膜層的上表面形成上電極，在疊加在一起的所述至少兩層有機薄膜層中最下層的所述有機薄膜層的下表面形成下電極，以形成組合單元； 將至少一個所述組合單元組成有機薄膜疊加體，其中所述至少一個所述組合單元中的每一者的所述有機薄膜層的排序規(guī)則相同；將引入電路分別電連接至所述有機薄膜疊加體的兩端；以及 用外包封裝層封裝所述有機薄膜疊加體。
13.根據(jù)權利要求12所述的有機薄膜發(fā)電機的制備方法，多個組合單元間以串聯(lián)的方式電連接。
14.根據(jù)權利要求12所述的有機薄膜發(fā)電機的制備方法，其中用砂紙打磨有機薄膜層的需要被打磨表面包括: 將所述有機薄膜層水平放置，并且將需要打磨的所述表面朝上放置； 將所述砂紙覆蓋在所述有機薄膜層上； 將重物放置于所述砂紙上；以及 固定所述重物和所述有機薄膜層，平拉所述砂紙。
15.根據(jù)權利要求12所述的有機薄膜發(fā)電機的制備方法，其中所述砂紙是280目、320目、400 目、500 目、600 目、800 目、1000 目、1200 目、1400 目、1600 目、1800 目、2000 目、2500目、3000目、3500目和4000目規(guī)格砂紙中的一種。
16.—種有機薄膜發(fā)電機組,該有機薄膜發(fā)電機組由根據(jù)權利要求1-11中任意一項權利要求所述的有機薄膜發(fā)電機并聯(lián)和/或串聯(lián)形成，或者由根據(jù)權利要求12-15中任意一項權利要求所述的方法 制備的有機薄膜發(fā)電機并聯(lián)和/或串聯(lián)形成。
【文檔編號】H02N1/04GK103888016SQ201410128479
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權日:2014年4月1日
【發(fā)明者】李舟, 馮絲雨, 李璇, 石波璟, 鄭強, 王中林 申請人:國家納米科學中心