Strom aus dem Wassertropfen

Chinesische Forscher entwickeln neuartige Halbleiter-Stromgenerator-Lösung

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der City University of Hong Kong (CityU) hat eine neue Form des tröpfchenbasierten Stromgenerators (DEG) entwickelt. Er verfügt über eine Feldeffekttransistor (FET) -ähnliche Struktur, die eine hohe Energieumwandlungseffizienz ermöglicht, und seine momentane Leistungsdichte ist im Vergleich zu seinen Gegenstücken ohne FET-ähnliche Struktur um das Tausendfache erhöht. Die Ergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature”  veröffentlicht. Ein herkömmlicher Tröpfchenenergieerzeuger, der auf dem triboelektrischen Effekt basiert, kann Elektrizität erzeugen, die durch Kontaktelektrifizierung und elektrostatische Induktion induziert wird, wenn ein Tröpfchen auf eine Oberfläche trifft. Eine Lösung dazu hat die CityU bereits im vergangenen Jahr veröffentlicht.

Die auf der Oberfläche erzeugte Ladungsmenge ist jedoch durch den Grenzflächeneffekt begrenzt, und infolgedessen ist die Energieumwandlungseffizienz ziemlich gering. Um die Umwandlungseffizienz zu verbessern, hat das Forschungsteam zwei Jahre lang die DEG entwickelt. Seine momentane Leistungsdichte kann bis zu 50,1 W / merreichen, tausendmal höher als bei ähnlichen Geräten ohne Verwendung des FET-ähnlichen Designs. Die Energieumwandlungseffizienz ist ebenfalls deutlich höher. Professor Wang wies darauf hin, dass es zwei entscheidende Faktoren für die Erfindung gibt. Zunächst stellte das Team fest, dass die kontinuierlichen Tröpfchen, die auf PTFE, ein Elektretmaterial mit einer quasi permanenten elektrischen Ladung, treffen, einen neuen Weg für die Akkumulation und Speicherung von Oberflächenladungen hoher Dichte darstellen. Sie fanden heraus, dass sich die erzeugte Oberflächenladung ansammelt und allmählich die Sättigung erreicht, wenn Wassertropfen kontinuierlich auf eine PTFE- Oberfläche treffen. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist eine einzigartige Reihe von Strukturen, die dem FET ähneln. Die Vorrichtung besteht aus einer Aluminiumelektrode und einer Indiumzinnoxid (ITO) -Elektrode mit einem darauf abgeschiedenen PTFE-Film. Die PTFE / ITO-Elektrode ist für die Erzeugung, Speicherung und Induktion der Ladung verantwortlich. Wenn ein fallender Wassertropfen auf die PTFE / ITO-Oberfläche trifft und sich dort ausbreitet, „überbrückt“ er auf natürliche Weise die Aluminiumelektrode und die PTFE / ITO-Elektrode und übersetzt das ursprüngliche System in einen Stromkreis mit geschlossenem Regelkreis. Mit dieser speziellen Konstruktion kann durch kontinuierliches Auftreffen von Tröpfchen eine hohe Dichte an Oberflächenladung auf dem PTFE akkumuliert werden. Wenn das sich ausbreitende Wasser die beiden Elektroden verbindet, können alle auf dem PTFE gespeicherten Ladungen zur Erzeugung von elektrischem Strom vollständig freigesetzt werden.  „Unsere Forschung zeigt, dass ein Tropfen von 100 Mikroliter Wasser, das aus einer Höhe von 15 cm fällt, eine Spannung von über 140 V erzeugen kann und der erzeugte Strom 100 kleine LEDs zum Leuchten bringen kann", sagte er Professor Wang.

 

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Bild: City University of Hong Kong