摘要
摩擦电纳米发电机（TENGs）由于其能够从低频机械运动中产生高电压，成为可穿戴设备和物联网（IoT）应用中很有前景的能量收集器。然而，由于内部阻抗较高导致的电流输出较低，它们的实际应用受到了严重限制。在本研究中，我们通过结合材料和电路层面的策略来解决这一限制。我们引入了碲化锌（ZnTe）作为一种新型的摩擦正电材料，并系统地优化了其组成和操作参数，开发出了一种灵活的ZnTe–PVA/FEP TENG。优化后的设备达到了大约410伏的开路电压、61微安的短路电流和4.03瓦/平方米的功率密度。为了将高电压、低电流的输出转换为实际可用的电力，我们集成了一种基于齐纳触发硅控整流器的完全被动式功率管理单元（PMU）。PMU能够自主积累电荷，并以阈值激活的电流脉冲形式释放电荷，从而将有效输出从微安级别提升到毫安级别。结果显示，100微法的电容器在200秒内被充电到12伏以上，储存的能量大约是未使用PMU时的14倍，同时实现了接近97%的功率传输效率。这种集成系统能够在周期性机械激励下可靠地为LCD秒表、计步器和50个LED阵列供电。这项工作表明，将基于半导体的摩擦电材料技术与被动、低损耗的功率管理相结合，为克服TENGs的电流瓶颈提供了一条可扩展且实用的途径，显著提升了它们在自供能电子系统中的应用潜力。
1 引言
随着对自供能电子产品的需求增加，摩擦电纳米发电机（TENGs）自2012年Wang等人首次报告以来，已成为一种领先的环境能量收集技术[1-6]。TENGs通过接触电离和静电感应的耦合，能够将多种低频机械运动转换为电能[7-9]。它们具有许多优点，包括低成本的材料、灵活性以及能够产生高开路电压。这些特性使得TENGs成为可持续的可穿戴设备、传感器和IoT节点的理想选择[10]。然而，TENGs的一个关键限制是其极低的输出电流，这源于其固有的高源阻抗，通常在数十到数百兆欧姆之间。这种高电压/低电流的特性意味着每个周期只能传递非常少量的电荷，因此难以直接驱动常见的电子设备或为电池充电。克服这一电流传输瓶颈对于将TENGs从实验室演示转化为实际应用中的电源至关重要[11-14]。最近在TENG研究方面的进展表明，材料工程在提高摩擦电性能方面起着关键作用。除了传统的介电优化外，研究人员还探索了可持续的废弃物衍生材料、金属氧化物中的晶体相工程以及多功能废弃物-to-能源系统，以提高电荷生成效率并拓宽应用范围[15-17]。TENG界面中传递的电荷量强烈依赖于摩擦材料的性质，包括表面形态、化学官能团、介电常数和内在电子亲和力，这些因素共同决定了每次接触生成的电荷量[18, 19]。研究人员通过引入高介电常数或电荷捕获材料以及微/纳米结构表面来增强TENG的输出[20-29]。例如，Li等人通过添加一层高介电常数的铁电聚合物层，实现了超过2.2毫库仑/平方米的表面电荷密度，远超单独使用传统聚合物所能达到的水平[30]。一般来说，能够承受较高表面电荷（通过高介电常数或深度陷阱状态）或具有有利能带排列的材料会产生更大的TENG电流。在摩擦电荷过程中，电子倾向于从功函数较高或电子亲和力较低的材料流向功函数较高或电子亲和力较高的材料，从而确定了电荷传输的方向。在这类材料中，硫属半导体，特别是碲化物（ZnTe）尤为引人注目，因为它们具有高极化率且晶格中富含缺陷，能够支持深度电荷陷阱和稳定的界面极化，同时它们的共价-离子键合赋予了化学和环境稳定性。此外，作为半导体，它们的能带边缘可以通过组成和结构进行调节，从而实现合理的异质界面和器件级别的优化[31, 32]。特别是ZnTe（II-VI半导体），它具有相对较高的功函数（约5.4电子伏特）和适中的电子亲和力（约3.5电子伏特）[33, 34]。这种组合意味着ZnTe可以强烈吸引并保持电子，当与强电负性聚合物（例如氟化乙烯丙烯，FEP）配对时，很可能成为摩擦正电材料。据我们所知，ZnTe之前尚未被用于TENG设备中。采用这种新型的摩擦正电材料为提高每个周期的电荷传输量和改善长期稳定性提供了新的机会，补充了传统聚合物和复合材料取得的进展。然而，即使使用了优化的材料，TENGs的高阻抗仍然存在，这使得功率管理电路不可或缺[35-39]。这些电路对原始的脉冲输出进行整流、存储和重新整形，通常将高电压/低电荷信号转换为低电压/高电荷脉冲[40-43]。近期文献中提出了几种方法。一种是电荷泵送，通过泵送TENG或外部源定期向浮动或束缚的电荷层注入电荷，从而超越空气击穿的天然饱和限制。Xu等人展示了这一原理，在环境条件下实现了约1020微库仑/平方米的有效表面电荷密度[44]。第二种方法是使用电压倍增器或开关电容网络进行电荷激发。Liu等人报道了一种与电压倍增器集成在一起的自我充电激发TENG，获得了超过1.25毫库仑/平方米的稳定电荷密度[45]，而后来的分形开关电容器转换器实现了超过67倍的电荷提升，约14.3安培/平方米的短路电流密度和约94%的能量传输效率[46]。第三种方法基于降压型开关转换。传统的DC-DC转换器和阈值触发设计已被应用于TENGs，提供了阻抗匹配和稳定的输出，报告的效率为80%-85%[47]。为了进一步降低复杂性和静态损耗，研究人员还探索了被动阈值切换电路。Qin等人展示了一种通用被动电路，可以在多个周期内积累电荷，并以高电流脉冲的形式释放[48]。总体而言，这些方法说明了协调的功率管理如何将TENGs的固有限制转化为提高效率和实际电流传输的机会。尽管取得了这些进展，但很少有研究将新型摩擦材料与被动电路解决方案结合起来。在这里，我们将这两方面结合起来解决当前的瓶颈问题。我们在ZnTe-PVA/FEP TENG中引入了ZnTe作为新型摩擦正电层，并将其与基于齐纳触发硅控整流器（SCR）降压配置的完全被动式功率管理单元（PMU）相结合。在运行过程中，TENG在接近开路条件下给中间电容器充电。当电压超过齐纳击穿阈值时，SCR导通，通过电感器将电荷释放到存储负载中，形成高电流脉冲。这种阈值触发机制可以自主地重置并重复这一过程，将微安级别的连续充电转换为间歇性的毫安级脉冲。通过这种方式，有效短路电流从几十微安被放大到毫安级别，优化了负载阻抗，从兆欧姆范围降低到千欧姆范围。PMU还增强了充电能力，使100微法的电容器在200秒内充电到12伏以上，并储存的能量是未使用PMU时的约14倍，实现了接近97%的功率传输效率。
2 实验部分
2.1 材料和方法表征
我们从阿里巴巴（中国）购买了碲化锌（ZnTe）粉末（CAS编号1315-11-3），未经进一步纯化即直接使用。聚（乙烯醇）（PVA，部分水解，分子量约70,000，CAS编号25,213-24-5）从Sigma-Aldrich（商品编号8.43869.1000，德国）购买。FEP薄膜从亚马逊购买，用作负摩擦电层。使用MiniFlex 600衍射仪（Rigaku，日本）和Cu Kα射线（λ=1.5406 Å）通过X射线衍射（XRD）研究了合成的ZnTe粉末的结构特性。测量在40 kV和15 mA的条件下进行。表面形态和粒子特征使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，JSM-7800F，日本）在15 kV的加速电压下进行观察，元素组成通过与SEM连接的能量色散X射线光谱（EDS）进行了确认。拉曼光谱用于分析ZnTe粉末的振动模式。X射线光电子光谱（XPS）在Escalab-250Xi光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）上使用Al Kα射线作为激发源进行，以确定组成元素的化学状态。
2.2 ZnTe粉末的结构表征
图1a中的低倍率SEM图像显示了由微米级聚集的不规则颗粒组成的多晶ZnTe粉末。在这个尺度上没有明显的次要相或纤维杂质。从图1a中黄色框区域取得的元素图显示Zn和Te在研究区域内均匀分布（图1b,c），表明粒子的化学均匀性。相应的EDS光谱（图1d）显示了锌和碲的特征线：强烈的Zn K和L发射线（分别约为8.6和1.0 keV）以及Te L线（集中在约3.7–4.3 keV范围内），以及通常归因于表面吸附/处理的O和C的弱信号。整体Zn:Te信号比与预期的ZnTe的1:1化学计量比一致，并与之前的研究结果相符[49, 50]。室温拉曼分析（图1e）显示ZnTe的LO声子位于约210 cm^-1附近，与闪锌矿ZnTe晶格相符[51, 52]。在较低频率处观察到额外的带状光谱，即E（约120 cm^-1）和A1（约140 cm^-1）模式，表明可能存在少量富Te的表面成分或痕量的游离Te，这在硫属粉末中是常见的。ZnTe的LO模式与Te模式的共存证实了ZnTe为主导相，同时表明存在轻微的表面Te物种。图1f中的XRD图案可以与立方闪锌矿ZnTe结构（空间群F 43m）相对应。标记为（111）、（200）、（220）、（311）、（222）/（400）和（420）的显著反射与ZnTe的参考图案吻合良好，证实了单相多晶材料的性质[53-55]。在仪器的分辨率和检测范围内没有检测到与常见次要相如ZnO、TeO2或元素Te相关的额外峰。所有索引峰与标准ZnTe图案的良好一致性证实了粉末的高结晶度。XPS用于评估ZnTe的表面组成和氧化状态。扫描光谱（图1g）仅显示Zn和Te的核心能级，以及少量的O 1s和C 1s，这归因于薄的表面氧化物/羟基层和外来碳；在仪器灵敏度范围内未检测到其他元素，表明表面纯度很高。高分辨率的Zn 2p光谱（图1h）显示了预期的双峰，分别位于约1021.5电子伏特（2p3/2）和约1044.6电子伏特（2p1/2），ΔE约为23电子伏特，与ZnTe晶格中的Zn2+和/或表面Zn-O配位一致；不需要额外的组分或调整来拟合数据。Te 3d区域（图1i）解析了Zn-Te中的晶格Te双峰，分别位于约572.9/583.3电子伏特（Te在Zn-Te中结合，形式为Te2-）和较弱、更高贝塔振荡的双峰，位于约576.2/586.6电子伏特（来自氧化Te（TeO2）的超薄表面层）。氧化物的贡献是表面的，不影响体相结构。总体而言，XPS确认了Zn和Te在ZnTe中的预期化学状态，仅有非常薄的天然表面氧化物。这些结果与文献中报道的先前关于ZnTe的XPS研究[55-57]结果一致。
2.3 TENG的制备
对于设备组装，使用了柔性PET片材作为基底和外壳。铝（Al）胶带电极被沉积在PET的两侧内表面上（作为三明治结构中的底部和顶部电极）。在底部电极（标记为正极）上施加了一层均匀的ZnTe粉末。为了获得均匀的涂层，将ZnTe粉末撒在Al带的粘合面上并轻轻压紧，使其均匀覆盖电极。顶部电极的内表面贴有一层FEP薄膜，由于FEP具有强烈的电子捕获倾向，因此这层薄膜可以作为负面的摩擦电表面。然后，在ZnTe层上滴涂一层薄薄的聚（乙烯醇）（PVA）薄膜并使其干燥，形成包裹ZnTe颗粒的均匀涂层。PVA既起到固定粉末的作用，也作为能够增强摩擦电性能的电荷传输介质。最后，将PET基底折叠或组装，使得FEP层与ZnTe–PVA层之间有一个小的间隙。PET基底的固有柔韧性为摩擦电层的反复接触和分离提供了所需的弹性。在操作中，当外力压紧器件时，FEP层和ZnTe–PVA层发生接触并交换电荷；释放后，在铝电极之间会产生电压（见图2）。
图2：器件组装示意图。柔性TENG的逐步构建过程包括：柔性覆盖层的施加、铝带电极的放置、在一个电极上沉积ZnTe颗粒、在另一侧层压FEP薄膜，以及最后铺设PVA涂层以封装和固定ZnTe层。图中中央的剖面图展示了器件中使用的多层结构（Al/FEP/PVA/ZnTe）。
2.4 器件评估实验设置
为了研究制造出的器件的性能，我们使用了一个线性阻尼系统，在0.5、1、2、3、4和5赫兹的频率范围内对其进行测试。开路电压（Voc）使用Rohde & Schwarz RTO 1014示波器记录，该示波器具有1吉赫兹的带宽、10吉秒/次的采样率以及10兆欧姆的输入阻抗探头，确保了高精度的电学测量。短路电流测量则使用Keysight 4200A SCS源测量单元进行，这是一种专为短路条件下的电学特性测量设计的精密仪器。静电表面电压则通过手持式非接触式静电计（KEYENCE SK系列，型号SK-H050）进行测量。
3 结果与讨论
3.1 TENG材料的性能优化
优化材料组成对于最大化TENG的输出至关重要。我们首先研究了涂层溶液中PVA浓度对器件性能的影响。这里的PVA浓度是指溶解在水中形成浇铸溶液的PVA量，它直接决定了干燥后PVA层的厚度和密度。PVA因其出色的成膜能力、机械柔韧性和高介电稳定性而被广泛认为是理想的摩擦电聚合物基材。如果浓度太低，形成的薄膜会太薄且不连续，无法均匀覆盖或保持ZnTe颗粒，从而限制了电荷捕获和界面接触；相反，如果浓度过高，则会导致涂层太厚且绝缘性过强，增加ZnTe与电极之间的有效分离距离，从而阻碍电荷的传递。我们准备了从0.5到3毫摩尔的不同PVA水溶液，并用每种溶液制备了TENG器件。如图3a所示，将PVA浓度从0.5毫摩尔增加到约2毫摩尔后，开路电压（从约300伏增加到约410伏）和短路电流（从约40微安增加到约61微安）均有所显著提升。含有2毫摩尔PVA的器件表现出最高的输出（约为410伏，61微安）。然而，当浓度进一步增加到2.5至3毫摩尔时，性能反而下降，开路电压降至约360伏。这种趋势可以理解为一个平衡：适度的PVA浓度提供了足够的官能团（例如-OH基团）来促进电荷捕获，并改善了表面平滑度，从而增强界面接触；而过高的浓度则引入额外的电阻，阻碍电荷感应并减慢介电响应。因此，2毫摩尔被确定为进一步实验的最佳PVA浓度，在电荷生成和电荷传输效率之间取得了最佳折中。
3.2 对比不同摩擦电材料的性能
我们优化了复合材料中的ZnTe填料浓度。首先，我们改变了浇铸参数水平（即PVA在复合材料中的重量百分比），观察其对输出的影响（图3b）。结果显示，当ZnTe填料浓度约为1.0%时，输出达到最高值，并具有较好的稳定性。当浓度低于0.5%时，由于活性物质不足，产生的电荷量较少，输出电压较低；浓度增加到1.0%时，输出电压略有提升；但浓度增加到1.5%后，输出电压有所下降。这一现象可以归因于填料聚集和表面分布不均，导致有效接触面积减小，从而降低了电荷传输效率。因此，1.0%的ZnTe填料浓度被认为是进一步实验的最佳选择，它在电荷生成和电荷传输效率之间提供了最佳的平衡。图3c中的条形图总结了各种组合下的开路电压情况。
为了进一步比较不同摩擦电材料的性能，在相同设备和激励条件下，我们使用了尼龙、纤维素、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和氟化聚合物（PTFE/FEP）作为正负摩擦电材料。结果发现，具有最强负极性的氟化聚合物（PTFE/FEP）产生了最高的输出（约400伏）。相比之下，正性或弱负性材料（如纤维素、PMMA和TPU）与ZnTe–PVA复合材料配对时，输出电压非常低，通常不超过20伏。这些结果证实，两个表面之间较大的摩擦电差异对于实现高性能至关重要。换句话说，为了最大化电荷密度，需要将具有完全不同电子得失倾向的材料配对使用（一个来自摩擦电系列的负极端，另一个来自正极端）。在本实验中，ZnTe–PVA复合材料表现出正性摩擦电特性（向对面表面释放电子），因此在配对材料具有极强负极性时（如氟化聚合物）时性能最佳。使用正性充电材料（如纤维素，它也倾向于释放电子）会导致两个表面的电子亲和力相似，从而几乎不发生电荷传输。这一实验验证了我们所选材料在摩擦电系列中的位置，并强调了在器件中使用FEP以实现最大输出的原因。
3.2 TENG的电学输出性能
在材料优化后（一侧为ZnTe–PVA，另一侧为FEP），我们详细表征了TENG器件的电学输出。该器件在接触-分离模式下工作（通过按压和释放柔性PET基底来创建FEP和ZnTe–PVA层之间的接触-分离）。
3.2.1 接触-分离理论
当两个介电层周期性接触和分离时，界面处会形成摩擦电荷；分离时，这些电荷会驱动电极之间的静电感应[58, 59]。一个方便的模型将板电压V(t)与间隙x(t)联系起来，其表达式如下：
(1)
其中Q是传输的电荷量，S是有效接触面积，ε0是真空介电常数，σ是表面电荷密度，d0是两个摩擦层的有效介电厚度。
(2)
在开路条件下（无外部电流），该模型简化为：
(3)
分离过程中的短路电流为：
(4)
图4总结了TENG的性能指标。在开路条件下，器件产生了约410伏的峰值电压（图4a上半部分）。这种高电压是TENG的典型特征，因为它们能够积累大量表面电荷，在表面分离时产生较大的电位差。在短路条件下，器件会产生周期同步的电流脉冲，约为61微安（图4a下半部分）。这些脉冲紧密跟随机械接触-分离事件，具有明显的上升和下降时间。对于活性面积为36平方厘米的TENG而言，这代表了强劲的电流输出。与典型的摩擦电发电机类似，源阻抗保持在兆欧姆范围内，这意味着虽然电压很高，但电流并不适合低阻抗负载。因此，实现阻抗匹配和功率管理对于将原始输出转换为更可用的高功率至关重要。
TENG的电学性能：(a) 周期性敲击下的典型开路电压和短路电流波形。(b) 负载扫描功率与负载电阻的关系。在R ≈ 10 MΩ时，最大功率约为14.5 mW，对应的功率密度约为4.03 W m−2。(c) 在相同机械激励条件下，1–22 μF电容器的充电曲线及其200秒运行后的储存能量。(d,e) 接触-分离频率（0.5–5 Hz）对电压和电流的影响。(f,g) 有效接触面积（4–36 cm²）对电压和电流的影响。(h) 持续运行轨迹显示了稳定的电压和电流输出。(i) 耐用性测试：开路电压在20,000个周期内保持稳定。图4b通过绘制TENG的稳态输出与外部负载电阻的关系来说明电压-电流-功率的关系。随着负载电阻从100 kΩ增加到MΩ范围，输出电压上升（接近开路值），而电流则按照欧姆定律（I = V/R）减少。在非常低的电阻和非常高的电阻下，输出功率可以忽略不计；但在中间某个值处有一个明显的最大值。在R ≈ 10 MΩ时，测量到约14.5 mW的瞬时功率，对应的功率密度约为4.03 W m−2。在5 Hz的 operating 频率下，每个机械周期产生的能量可以由Ecycle = P/f估算得出。使用测得的14.5 mW峰值功率，计算出每个周期的能量约为2.9 mJ。最佳匹配阻抗约为10 MΩ，这与TENG的内部阻抗相匹配，可以由Rint ≈ Voc/Isc ≈ 410 V / 61 μA ≈ 6.7 MΩ估算得出。这种高的源阻抗是TENG的典型特征，这也是为什么直接使用TENG输出为电子设备供电具有挑战性的原因。为了与在相同设备和激励条件下常用的摩擦正性材料进行进一步比较，图S1提供了使用尼龙、纤维素和PMMA的额外对照实验结果，其中ZnTe+PVA层显示出最高的输出。此外，我们还研究了两个机械参数对输出的影响：接触-分离频率和有效接触面积。图4d,e显示了在不同敲击频率（0.5、1、2、3、4、5赫兹）下的代表性输出波形。在较低的频率下（例如0.5赫兹），每秒的循环次数较少，这限制了单位时间内传输的电荷量。因此，由于激励事件较少，电流和有效输出电压都会降低。当频率增加时，在相同的时间内发生更多的接触-分离循环，从而实现更多的电荷传输，并导致更高的平均输出。图4f,g显示了随着接触面积变化时的输出。我们制造了不同面积的装置（最小面积2×2厘米=4平方厘米，最大面积6×6厘米=36平方厘米），并测量了它们的开路电压Voc和短路电流Isc。开路电压随着面积的增加而显著提高，从4平方厘米时的约40伏特增加到36平方厘米时的约410伏特。这表明较大的有效表面能够在每次循环中传输更多的电荷，从而直接转化为更高的感应电压。同样，短路电流也随着面积的增加而显著增加，大致与面积成比例增加，因为较大的接触表面可以在每次循环中交换更多的总电荷。在36平方厘米的装置中，Isc比4平方厘米的装置高了一个数量级。最后，我们通过模拟设备在长时间内的反复操作来评估其耐用性和稳定性。该设备连续进行了20,000次接触-分离循环。在整个测试过程中，每隔一段时间就监测输出。如图4h所示，在20,000次循环中，开路电压幅度没有明显下降。输出的一致性表明材料和结构非常坚固：ZnTe–PVA涂层没有磨损或脱落，FEP表面保持了完整性，电极中没有观察到电疲劳现象。20,000次循环后的稳定性能与文献中其他高度耐用的TENG设计相当。这种坚固性对于实际应用至关重要，因为它表明该设备可以长时间运行，可能达到数百万次循环而不会失效。除非另有说明，本节中的所有比较电气性能测量都是在相同的机械激励条件下进行的。接触面积固定为6×6厘米，激励频率使用线性阻尼系统保持在5赫兹。整个实验过程中施加的机械位移保持不变，以确保任何输出电压或电流的变化都是由于材料或结构的变化，而不是机械输入参数的变化。
3.3 接触力和人类运动对TENG输出的影响
接下来，我们研究了TENG在模拟现实世界使用条件下的响应，特别是研究了输出如何随着施加的力而变化，并展示了该设备在可穿戴能量收集场景中的应用。在一个受控力测试中，我们在TENG上放置了校准过的重量（在垂直接触模式下），以施加从非常轻的触摸（约0.01牛顿）到强按压（约1牛顿）的已知力。图5a绘制了每个力级别的输出电压波形。我们观察到，即使在最小的力下，设备也能产生可辨别的电压脉冲（大约几十伏特）。随着力的增加，表面之间的接触变得更牢固，有效接触面积增大，从而导致更多的电荷传输。因此，峰值Voc随力的增加而增加：在0.1牛顿时达到约100伏特，在1牛顿时达到约260伏特。这种关系是非线性的，但趋势很明显，更大的冲击会产生更强的电输出。这一趋势与摩擦电效应一致：更强的冲击增加了电荷传输，通常会产生更快的分离，从而提高位移电流。当带电的摩擦层分离时，束缚的电荷留在介质上，而电极间隙发生变化，因此电位移随时间变化；尽管没有自由电荷穿过间隙，但变化的电场（D）仍然可以驱动外部电流。
图5显示了接触力和人类运动的影响。(a) 用于施加校准载荷的法向力测试配置。(b) 电压脉冲与施加力的关系（0.01–1牛顿），显示峰值幅度随冲击强度的增加而单调增加。(c) 现实世界中的激励：在手指敲击、手部敲击、肘部运动、手掌运动、跳跃和行走过程中收集的输出波形，展示了从各种人类运动中有效收集能量。在接触-分离型TENG中，极化项∂P/∂t占主导地位，产生了与循环同步的电流脉冲[63-65]。为了为可穿戴电子设备供电，激励通常来自身体运动，这些运动涉及不同大小和频率的力。我们将TENG集成到简单的内饰格式中（连接到手、肘部、鞋子等），并在各种运动过程中测量输出。图5b展示了几个示例的电压输出：手指敲击（用指尖轻轻敲击设备）、手部敲击（用手掌或手指用力敲击）、肘部弯曲（通过手臂运动在关节处弯曲设备）、手掌拍打（手掌握住设备且手指闭合）、行走和跳跃（设备位于鞋中）。这些动作每种都产生了特征的电压-时间曲线。例如，轻轻的手指敲击在手指敲击和释放设备时会产生一系列脉冲（约200–300伏特）。相比之下，有力的手部敲击或拍打会产生更大的峰值（例如，由于更大的冲击力和接触面积，强烈的拍打会产生约700伏特）。肘部弯曲是一个相对低冲击、缓慢的动作，因此产生的电压较低（约60伏特），并且每个周期的时间更长。行走和跳跃也产生了清晰的信号：行走产生了更稳定的输出，因为它更容易保持稳定的步速，而跳跃由于重复落地的难度较大，产生了不太规则的信号。这些结果表明TENG可以从各种人类运动中有效收集能量。即使是中等强度的运动（如手指敲击、肘部弯曲）也能产生电压输出，这些输出可以用于充电或传感，而更剧烈的运动（如拍手、行走）产生的输出足够强，可以直接驱动低功耗设备，特别是当与PMU结合使用时，如后面讨论的那样。
3.4 电荷传输机制和仿真分析
为了更好地理解ZnTe–PVA复合层带来的性能提升，并阐明电荷生成机制，我们进行了进一步的实验和仿真。我们提出了一个电荷传输过程的定性模型，并使用静态电荷的测量结果和计算仿真来分析ZnTe–PVA复合材料的效果。图6a描述了两个摩擦电层之间的电荷传输原理。ZnTe是一种II-VI半导体，具有适度的电子亲和力（约3.5电子伏特）和相对较高的功函数（约5.4电子伏特），这些特性使其在建立电荷传输和维持表面极性方面非常有效。同时，PVA是一种聚合物，倾向于失去电子（摩擦电正性，部分原因是其丰富的-OH基团），同时也提供了均匀的介电环境。另一方面，FEP具有高的电子亲和力（其氟含量增强了这一点），并且具有强烈的摩擦电负性。当FEP和ZnTe–PVA表面接触时，电子优先从ZnTe–PVA侧移动到FEP侧。这种电荷传输主要由电子亲和力和功函数的差异控制：负性材料（FEP）因其强大的电子亲和力而吸引并稳定电子，而ZnTe–PVA侧由于电子亲和力较低和功函数较高，更容易释放电子。这些电子特性的共同效应确保了界面处电荷的有效且定向的移动。
图6展示了ZnTe–PVA基TENG的电荷传输机制。(a) 电荷传输的概念模型。(b) 敲击前后的静电势。(c) ZnTe和ZnTe–PVA复合体的介电常数比较。(d) 使用COMSOL对不同电极分离距离下的电位分布进行有限元仿真。因此，在分离时，FEP表面带有多余的电子（负电荷），而ZnTe–PVA表面则缺少电子（正电荷）。由于这两种材料都是绝缘体或宽带隙半导体，电荷被困在表面上，除非通过外部路径，否则不能中和。当层分离时，这种不平衡会在它们之间产生电势。如果电极外部连接，电子会从负侧流向正侧以平衡电荷，从而产生交流电流。当层再次接触时，新的电荷被交换，循环重复。这个动态过程构成了TENG交流输出的基础。为了确认电荷的极性并量化每层的电荷积累，我们使用非接触式静电电压计进行了表面电位测量（图6b）。接触前的初始读数显示FEP表面带有轻微的负电位（-100伏特），而ZnTe和ZnTe–PVA分别为+200伏特和+300伏特。敲击后，观察到了明显的电荷重新分布。FEP表面产生了大约-1400伏特的强负电位，证实它在接触过程中接受了电子。相比之下，ZnTe–PVA表面显示出更大的正电位，约为+1800伏特，表明它失去了电子并带有了强烈的正电荷。这种极性和幅度的显著差异证明了两层之间的电荷传输效率，其中FEP作为电子受体，ZnTe–PVA作为电子供体。为了监测接触通电后的表面电位衰减，我们进行了电荷保持测量（图S2）。ZnTe+PVA层显示出最高的电荷保持能力，并且在5分钟后仍保持了大约61%的初始电位，而ZnTe为约46%，FEP为约44%，表明其具有更好的电荷捕获能力和更稳定的电荷保持能力，使得ZnTe和PVA成为有效的摩擦正性组合。图6b中显示的非接触式静电电位测量提供了机械激励后ZnTe和ZnTe–PVA层电荷积累增强的直接实验证据。为了进一步量化电荷生成能力，我们使用标准开路关系估算了有效表面电荷密度。基于在最大分离距离20毫米时VOC约为410伏特，估计的有效表面电荷密度约为180微库仑每平方米。相比之下，常用的摩擦正性材料如尼龙、PMMA和TPU通常表现出50–150微库仑每平方米的表面电荷密度，这取决于材料特性和测试条件。因此，所得值处于已报道的摩擦电材料的上限范围内，表明ZnTe–PVA复合材料具有强大的内在电荷生成能力[66]。ZnTe+PVA的电荷保持能力提高与通过添加绝缘或高κ涂层来增强TENG输出的已知策略一致，这些涂层可以维持更高的表面电荷密度。在我们的案例中，双层结构（ZnTe加PVA）可以被视为一种复合介电材料。测量的电容和介电常数数据（图6c）确实表明，与单独的ZnTe相比，复合材料的介电常数更高，这意味着它可以在给定电压下保持更多的电荷，或者等效地，在给定电荷量下达到更高的电压。在100赫兹时，复合材料的εr约为5.5，而ZnTe的εr约为4.4。这种相对增加表明PVA及其与ZnTe颗粒的相互作用提高了有效介电常数。尽管相对介电常数从大约4.4增加到5.5，但其对接触-分离型TENG的影响可以通过标准静电模型中的有效介电厚度项d0∝d/εr来理解。增加的εr使有效介电厚度减少了大约20%，从而提高了给定分离距离下的电荷传输效率。然而，引入ZnTe后观察到的整体性能提升不能仅仅归因于介电常数的变化。复合结构促进了更强的界面极化和介电层内的电荷稳定，降低了重复接触-分离循环期间的电荷泄漏，从而有助于观察到的电压和电流输出的增加。我们还使用COMSOL Multiphysics进行了有限元仿真，以可视化ZnTe–PVA设备的电位分布（图6d）。模型参数直接来自实验测量，设备结构具有可变的电极分离距离（Δd）。在应用实验参数并分离电极后，我们计算了不同间隙下的电极间电位差。为了清晰起见，COMSOL模拟使用了静电模块来分析接触分离过程中的电位分布。基于实验测得的介电常数，ZnTe-PVA复合层被建模为一个均匀的有效介电介质，其相对介电常数约为5.5。FEP层的相对介电常数被设定为2.1。在摩擦电界面施加了一个固定的表面电荷密度，以代表实验观察到的电荷生成。底部电极被定义为地电位，而顶部电极被视为浮动电位边界。电极分离距离从5毫米变化到20毫米，以评估其对电位分布的影响。这些条件使得能够对设备在运行过程中的静电行为进行真实的建模。正如预期的那样，随着分离距离的增加，电位差也随之增加，因为较大的Δd会降低有效电容，从而提高开路电压。最大电压出现在20毫米的最大分离距离处，这与理论预期和我们的实验观察结果一致。
3.5 被动电源管理用于电流提升和阻抗匹配
虽然优化的摩擦电发电机（TENG）能够产生高电压，但其高内阻意味着原始输出并不适合直接驱动大多数电子设备，因为这些设备通常具有低阻抗或需要稳定的直流电源。为了解决这个问题，我们设计并集成了一种电源管理单元（PMU），它可以提升电流并降低输出阻抗，有效地将TENG的高电压/低电流脉冲转换为低电压/高电流脉冲。在为TENG系统报道的各种电源管理策略中，包括电荷泵浦、开关电容转换器、电压倍增器和主动控制的直流-直流转换器，选择合适的拓扑结构必须考虑TENG源的固有特性。TENG通常具有极高的内阻、高开路电压、低短路电流以及间歇性的能量生成。因此，电源管理电路应（i）能够承受高电压水平，（ii）避免连续的无功功率消耗，（iii）提供动态阻抗匹配，以及（iv）保持结构简单性，以最小化传导和切换损耗。在这项工作中，我们选择了基于齐纳二极管触发的晶闸管（SCR）的被动降压配置，因为它本质上满足了这些要求。SCR器件可以承受TENG产生的高电压幅度，而齐纳二极管则提供自主的阈值触发，无需外部偏置或控制电路。完全被动的架构消除了待机功耗，这对于高阻抗能量收集器尤为重要，因为任何漏电流都可能显著减少可用输出。
3.5 被动电源管理用于电流提升和阻抗匹配
虽然优化的摩擦电发电机（TENG）能够产生高电压，但其高内阻意味着原始输出并不适合直接驱动大多数电子设备，这些设备通常具有低阻抗或需要稳定的直流电源。为了解决这个问题，我们设计并集成了一种电源管理单元（PMU），它可以提升电流并降低输出阻抗，有效地将TENG的高电压/低电流脉冲转换为低电压/高电流脉冲。在为TENG系统报道的各种电源管理策略中，包括电荷泵浦、开关电容转换器、电压倍增器和主动控制的直流-直流转换器，选择合适的拓扑结构必须考虑TENG源的固有特性。TENG通常具有极高的内阻、高开路电压、低短路电流以及间歇性的能量生成。因此，电源管理电路应（i）能够承受高电压水平，（ii）避免连续的无功功率消耗，（iii）提供动态阻抗匹配，以及（iv）保持结构简单性，以最小化传导和切换损耗。在这项工作中，我们选择了基于齐纳二极管触发的晶闸管（SCR）的被动降压配置，因为它本质上满足了这些要求。SCR器件可以承受TENG产生的高电压幅度，而齐纳二极管则提供自主的阈值触发，无需外部偏置或控制电路。完全被动的架构消除了待机功耗，这对于高阻抗能量收集器尤为重要，因为任何漏电流都可能显著减少可用输出。此外，该拓扑结构所需的元件最少，并且能够与TENG的波形自同步切换，从而确保低损耗和高可靠性。这些特性使得SCR-齐纳配置非常适合将高电压、低电流的摩擦电输出转换为可用的高阻抗能量脉冲。当TENG达到高电压状态时，PMU利用开关元件提取电荷。基于SCR的方案对于TENG来说很有吸引力，因为它们结构简单、损耗低，并且能够处理高电压。我们的PMU采用了SCR和齐纳二极管的组合，形成了一个自动阈值开关。PMU可以看作是由SCR自动控制的被动直流-直流降压转换器，其栅极由齐纳二极管进行偏置（图7a）。不需要外部电源或控制器：当整流的TENG电压超过齐纳击穿电压时，齐纳二极管提供栅极电流，SCR导通；当电流低于SCR的保持电流时，SCR截止。SCR是一个包含三个结（J1-J3）的PNPN器件。在静态状态下，J1和J3处于正向偏置，而J2处于反向偏置，因此器件阻断电流（关闭状态）。当齐纳二极管击穿时，栅极电流被注入到内部N区域；这会使J2进入正向偏置状态，三个结都导通，SCR锁定直到阳极电流随后衰减到保持电流以下。
3.5 被动电源管理用于电流提升和阻抗匹配
虽然优化的摩擦电发电机（TENG）能够产生高电压，但其高内阻意味着原始输出并不适合直接驱动大多数电子设备，因为这些设备通常具有低阻抗或需要稳定的直流电源。为了克服这一问题，我们设计并集成了一种电源管理单元（PMU），它可以提升电流并降低输出阻抗，有效地将TENG的高电压/低电流脉冲转换为低电压/高电流脉冲。在为TENG系统报道的各种电源管理策略中，包括电荷泵浦、开关电容转换器、电压倍增器和主动控制的直流-直流转换器，选择合适的拓扑结构必须考虑TENG源的固有特性。TENG通常具有极高的内阻、高开路电压、低短路电流以及间歇性的能量生成。因此，电源管理电路应（i）能够承受高电压水平，（ii）避免连续的无功功率消耗，（iii）提供动态阻抗匹配，以及（iv）保持结构简单性，以最小化传导和切换损耗。在这项工作中，我们选择了基于齐纳二极管触发的晶闸管（SCR）的被动降压配置，因为它本质上满足了这些要求。SCR器件可以承受TENG产生的高电压幅度，而齐纳二极管则提供自主的阈值触发，无需外部偏置或控制电路。完全被动的架构消除了待机功耗，这对于高阻抗能量收集器尤为重要，因为任何漏电流都可能显著减少可用输出。此外，该拓扑结构所需的元件最少，并且能够与TENG的波形自同步切换，从而确保低损耗和高可靠性。这些特性使得SCR-齐纳配置非常适合将高电压、低电流的摩擦电输出转换为可用的高阻抗能量脉冲。当TENG达到高电压状态时，PMU利用开关元件提取电荷。基于SCR的方案对于TENG来说很有吸引力，因为它们结构简单、损耗低，并且能够处理高电压。我们的PMU采用了SCR和齐纳二极管的组合，形成了一个自动阈值开关。PMU可以看作是由SCR自动控制的被动直流-直流降压转换器，其栅极由齐纳二极管进行偏置（图7a）。不需要外部电源或控制器：当整流的TENG电压超过齐纳击穿电压时，齐纳二极管提供栅极电流，SCR导通；当电流低于SCR的保持电流时，SCR截止。SCR是一个包含三个结（J1-J3）的PNPN器件。在静态状态下，J1和J3处于正向偏置，而J2处于反向偏置，因此器件阻断电流（关闭状态）。当齐纳二极管击穿时，栅极电流被注入到内部N区域；这会使J2进入正向偏置状态，三个结都导通，SCR锁定直到阳极电流随后衰减到保持电流以下。
3.5.1 周期平均平衡（一个电路周期Tc内的稳态）[47, 67]
（9a）
（9b）
符号说明：UC1是C1（储能电容）上的电压，Uo是C2和R上的输出/负载电压，iL是电感器电流，L是电感器，C2是输出电容，R是负载。这个四阶段周期防止了接触时过早的充电，允许C1在释放前完全充电，并将每次TENG的能量脉冲作为强电流脉冲传递给储能电容。通过这种方式，被动SCR-齐纳降压转换器提供了动态阻抗匹配和高效的能量传输，将原始的摩擦电脉冲转换为实用的电能。被动控制的降压转换器的有效性首先通过其对储能电容充电性能的影响得到了验证。如图7c所示，结合SCR-齐纳降压阶段使得TENG能够在200秒内将100微法（μF）的电容充电至约12伏（V），相当于存储了大约7.2毫焦（mJ）的能量。相比之下，同样的TENG在没有PMU的情况下，在相同时间内只能充电至约2.6伏，存储的能量不到0.5毫焦。这一数量级的显著改进证明了系统将高电压、低电流的摩擦电脉冲转换为强电流脉冲的能力，实现了更快、更高效的能量传输过程。为了进一步评估输出电容对能量积累的影响，图7d展示了不同电容值（从100微法到1000微法）的性能。结果揭示了约220微法时存储能量达到峰值，约为8毫焦。为了提供恒定的、与电子设备兼容的直流电压同时保持电流提升效果，我们在C2节点后集成了一种能量收集调节器（LTC3588-1）。在这种配置中，SCR门极控制的降压器执行主要的降压和能量提取工作，而从高阻抗的TENG获取能量；C2作为中间能量缓冲器，为调节器提供稳定的输出。完整的电路布局，包括ZnTe-PVA/FEP摩擦电发电机输入、齐纳二极管触发的SCR降压转换器、电感器-二极管传输路径以及集成的LTC3588-1调节器，如图7e所示。在持续激励下，LTC3588-1使C2节点电压上升至较高阈值（约5伏），然后释放出一包能量，使其降至约3.3伏；每个这样的周期都会在输入端产生一个明显的电流峰值，而调节后的节点电压保持在3.3伏左右，如图7f所示。完整系统的瞬态行为在图7g中进一步说明，该图比较了原始TENG的输出与TENG+PMU+LTC系统的输出。在指定的激励条件下，基于ZnTe的TENG的固有短路电流约为61微安（μA）。与PMU集成后，通过阈值触发的SCR开关阶段释放了多个机械周期积累的电荷，在输出端产生毫安级电流峰值。这种行为反映了能量的时间累积和再分配，而不是TENG本身的电荷生成能力的增加。PMU还降低了TENG的有效源阻抗，最大功率约为14.1毫瓦（mW），接近TENG本身的功率（14.5毫瓦），转换效率接近97%，损失主要归因于开关、整流和被动组件的损耗。
4 应用
为了展示实际应用能力，我们将TENG与被动PMU和稳压输出阶段集成在一起，用于为多个小型电子设备供电，并驱动一个LED阵列。这些演示中使用的电路配置如图8a所示，TENG的输出通过齐纳二极管触发的SCR降压阶段处理后直接传递给负载。作为第一个演示，该系统成功地为一个50个LED组成的“KU”阵列供电，在敲击过程中均匀点亮（图8b）。为了进一步评估TENG-PMU系统为真实电子设备供电的能力，实现了包括LTC3588-1能量收集调节器和680微法（μF）缓冲电容在内的完整架构，如图8c所示。图8d展示了运行过程中储能电容上的电压变化。在第一阶段（TENG开启，应用程序断开连接）期间，电容充电至约2.1伏。当50秒后设备连接（第二阶段）时，电容电压稳定在1.8-2.0伏之间，同时两个LCD计时器和一个计步器持续运行。在第三阶段（TENG关闭，应用程序仍连接）期间，电容逐渐放电，当电压降至约1.0伏以下时，设备停止运行。这些演示证实了TENG-PMU系统为低功耗可穿戴设备和消费电子设备提供可用准直流电源的能力。
5 结论
我们展示了一种与被动、齐纳二极管门极控制的SCR PMU共同设计的ZnTe-PVA/FEP TENG，它克服了TENG电源在电流传输和阻抗匹配方面的瓶颈。通过结构和光谱分析验证的ZnTe-PVA正摩擦层实现了高电压操作，而阈值触发的PMU可以自动积累电荷并在短时间内以低阻抗脉冲形式释放电荷。在接触-分离激励模式下，该设备输出开路电压（Voc）约为410伏特（V），短路电流（Isc）约为61微安（μA）；采用被动切换方式时，有效输出变为毫安级电流脉冲。系统可实现约14.1毫瓦（mW）的峰值电功率，在100微法（μF）电容器中储存的能量增加约14倍（200秒内增加至约7.2毫焦耳（mJ）），其功率传输效率相对于TENG（非接触式发电）本身的输出效率约为97%，这反映了良好的阻抗匹配和极低的电路损耗。该收集装置能够可靠地为商用LCD设备和50颗LED组成的阵列供电。
作者贡献：
Fandi Jean：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论设定、研究设计、形式化分析、 数据整理；
Muhammad Umair Khan：撰写、审阅与编辑、初步起草、可视化处理、验证、方法论设定、研究设计、形式化分析、数据整理、概念构想；
Mahmoud Al Qutayri：撰写、审阅与编辑、可视化处理、验证、软件开发、资源协调、项目管理、资金筹措；
Baker Mohammad：撰写、审阅与编辑、内容验证、监督工作、软件开发、资源协调、项目管理、资金筹措、形式化分析、概念构想。
致谢：
本出版物的研究工作得到了Khalifa科技大学“系统集成实验室”（System on Chip Lab）项目的支持，项目编号分别为8474000134和8474000137。
资金支持：
本研究由Khalifa科技大学计算机与信息工程系资助，项目编号为KU-INT-RIG-2025-8474000137。
利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的、可能影响本文所述研究的财务利益冲突或个人关系。
关于手稿准备过程中生成式人工智能（Generative AI）和人工智能辅助技术（AI-Assisted Technologies）的声明：
在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）工具进行语法审查、语言润色及有限的文字调整，以提高文章的清晰度和流畅性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。
数据可用性声明：
数据可应请求提供。
