توصيفگر ها :
نانوژنراتور , تريبوالكتريك , شفافيت , انعطاف پذيري , اكسيد روي , پلي دي متيل سيلوكسان
چكيده فارسي :
با توجه به پيشرفت فناوري نانو و كاهش ابعاد سيستم هاي الكترونيكي، توليد انرژي در مقياس نانو از اهميت ويژه اي برخوردار است. نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك به دليل ويژگي انتخاب گسترده مواد جهت ساخت و خصوصيات ويژه همچون زيست سازگاري، زيست تخريب پذيري، توان خروجي و بازده بالا، وزن كم و سادگي ساخت، به عنوان منبع تامين انرژي براي وسايل الكترونيكي ترجيح داده مي شوند. نانوژنراتورهاي شفاف و انعطاف پذير، داراي ولتاژ خروجي و توان خروجي و همچنين كاربرد بيشتر در صنايع مختلف مي باشند، به همين دليل اين دسته از نانوژنراتورها اهميت بيشتري پيدا كرده اند. هدف از پژوهش حاضر طراحي و ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك تك الكترود شفاف و انعطاف پذير بر پايه فيلم پلي دي متيل سيلوكسان به منظور تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي است. بدين منظور، انتخاب موادي مانند پلي¬دي¬متيل سيلوكسان اصلاح شده با نانولوله هاي اكسيد روي به عنوان لايه تريبوالكتريك با بار منفي، دو لايه شيشه و پلي اتيلن ترفتالات به عنوان زير لايه با بار تريبوالكتريك مثبت و اكسيد قلع آلاييده به اينديوم به عنوان الكترود القايي با بار منفي استفاده شد. به منظور اصلاح سطح و بهبود خواص سطحي از جمله افزايش بار سطحي سعي شد با استفاده از رشد دادن نانولوله هاي اكسيد روي بر سطح پلي دي متيل سيلوكسان، زبري سطح افزايش داده شود و همچنين با تغيير زيرلايه ها و كاهش ضخامت فيلم پليمري پلي دي متيل سيلوكسان با استفاده از روش پوشش¬دهي چرخشي، خروجي نانوژنراتور را بهبود بخشيد. در اين راستا، پليمر پلي دي متيل سيلوكسان روي دو زير لايه شيشه و پلي اتيلن ترفتالات پوشش داده شد وسپس نانولوله هاي اكسيد روي توسط روش لايه نشاني حمام شيميايي در غلظت هاي مختلف (10، 20، 30، 40 و 50 ميلي مولار ) بر سطح رشد داده شدند و خواص سطحي نظير مورفولوژي سطح، زبري سطح، زاويه ترشوندگي، گروه هاي عاملي و تركيبات فازي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد، حضور نانولوله هاي اكسيد روي بر سطح به انتقال الكترون و در نتيجه بهبود خروجي نانوژنراتور ها كمك خواهد كرد. مقدار ولتاژ، جريان، چگالي جريان و چگالي توان در نانوژنراتور با زير لايه شيشه و در حضور نانولوله هاي اكسيد روي به ترتيب برابر 5/87 ولت، 9/17 ميكروآمپر، 8/1 ميكروآمپر بر سانتي متر مربع و 43/36 ميلي وات بر سانتي متر مربع و بدون حضور نانولوله هاي اكسيد روي اين مقادير به ترتيب 36/57 ولت، 3/6 ميكرو آمپر، 8/0 ميكروآمپر بر سانتي متر مربع و 81/11 ميلي وات بر سانتي متر مربع بودند. در نانوژنراتور با زير لايه پلي اتيلن ترفتالات و در حضور نانولوله هاي اكسيد روي اين مقادير به ترتيب، 7/152 ولت، 7/7 ميلي آمپر، 8/0 ميلي آمپر بر سانتي متر مربع و 5/31 ميلي وات بر سانتي متر مربع و بدون حضور نانولوله هاي اكسيد روي اين مقادير به ترتيب 6/81 ولت، 2/4 ميلي آمپر، 45/0 ميلي آمپر بر سانتي متر مربع و 5/19 ميلي وات بر سانتي متر مربع بود. اختلاف در مقادير ذكر شده به دليل حضور نانولوله هاي اكسيد روي بر سطح و نقش آن ها در تسهيل انتقال بارهاي الكتريكي و همچنين استفاده از زيرلايه پلي اتيلن ترفتالات با ضخامت كمتر به جاي شيشه بود. به منظور اطمينان از توليد توان توسط نانوژنراتورهاي ساخته شده، از انرژي توليدي به وسيله لمس انگشت به منظور روشن كردن 25 و 35 لامپ تجاري در هر دو نانوژنراتور استفاده شد. به منظور تاييد صحت خروجي هاي گرفته شده، مكانيزم كار هر دو نانوژنراتور طراحي شده توسط نرم افزار كامسول و با استفاده از روش آناليز المان محدود شبيه سازي شد كه ولتاژ خروجي حاصل از شبيه سازي نيز به ولتاژ واقعي ثبت شده در آزمايشات بسيار نزديك بود.
چكيده انگليسي :
Today, due to the significant advances in nanotechnology and the reduction of the dimensions of electronic systems, energy production at the nanoscale is of particular importance. Triboelectric nanogenerators are preferred as a power source for electronic devices due to their wide selection of materials for fabrication and their special properties such as biocompatibility and biodegradability, high output power and efficiency, low weight, and ease of fabrication. In recent years, transparent and flexible nanogenerators, compared to non-transparent and non-flexible nanogenerators, have output voltage and output power, as well as more applications in various industries, so these nanogenerators have become more important. The aim of the present study is to design and fabricate a transparent and flexible single-electrode triboelectric nanogenerator based on a polydimethylsiloxane polymer film in order to convert mechanical energy into electrical energy. For this purpose, the choice of materials such as polydimethylsiloxane modified with zinc oxide nanotubes as a triboelectric layer, glass, and polyethylene terephthalate as substrate, and indium tin oxide as an induction electrode is proposed. In order to modify the surface and improve the surface properties, including increasing the surface charges, an attempt was made to increase the surface roughness by growing zinc oxide nanotubes on the surface of polydimethylsiloxane, as well as by changing the substrates and reducing the thickness of the polydimethylsiloxane film by using the spin coating method, improved the nanogenerator output. In this regard, polydimethylsiloxane polymer was coated on two substrates of glass and polyethylene terephthalate and then zinc oxide nanotubes by chemical bath deposition coating method in different concentrations (10, 20, 30, 40 and 50 mM) zinc on the surfaces were grown and surface properties were evaluated. The results showed that the presence of zinc oxide nanotubes on the surface will help electron transfer and thus improve the output of nanogenerators. Voltage, current, current density, and power density in nanogenerators with a glass substrate and in the presence of zinc oxide nanotubes are 87.5 V, 17.9 μA, 1.8 μA/cm2, and 36.43 mW / cm2 respectively and in nanogenerators with polyethylene terephthalate substrate and in the presence of oxide nanotubes on these values, respectively, 152.7 V, 7.7 mA, 0.8 mA / cm2 and 31.5 mW/cm2 respectively. Then, in order to ensure the power generation by the manufactured nanogenerators, the generated energy was used to light 25 and 35 commercial lamps in both nanogenerators. In order to confirm the accuracy of the outputs taken, the working mechanism of both nanogenerators designed by COMSOL software was simulated using finite element analysis method that the output voltage of the simulation was very close to the actual voltage recorded in the experiments.
