人類一直試圖讓設備自動從周圍環(huán)境中獲取能量。早在20世紀初，研究人員就通過不同的途徑研究此類設備。如今，美國佐治亞理工學院教授王中林的研究小組開發(fā)出能同時收集太陽能和機械能的復合型納米發(fā)電機，并首次實現(xiàn)了能同時收集多種能源的單一集成器件。這一最新的研究成果發(fā)表在《美國化學會志》網(wǎng)絡版上。

　　王中林、王旭東博士和博士生許晨等在他們2006年發(fā)明的直流納米發(fā)電機的基礎上，集成了染料敏化太陽能電池的功能。兩個發(fā)電單元都基于氧化鋅納米陣列，共用同一個金屬電極。此外，通過不同的設計及組裝步驟，太陽能電池和納米發(fā)電機可以實現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)的集成方式。

　　迄今為止，人類所使用的太陽能電池和機械能驅動的發(fā)電機都是根據(jù)不同的工作原理設計的獨立器件。但是人類對能源的需求日益增加，迫切需要一種能全天候收集所有可用的各種形式的能源的技術，特別是太陽能和機械能。王中林小組的研究成果表明，他們研制出一種能同時收集太陽能和機械能的新型集成發(fā)電機。經(jīng)過測試，這兩部分功能單元既能同時實現(xiàn)又能獨立且不受影響地工作。而且，通過兩種不同的串并聯(lián)設計，輸出電流、電壓及功率實現(xiàn)了明顯的提升。除此之外，該研究還發(fā)現(xiàn)太陽能電池單元的電壓輸出能夠大大提高納米發(fā)電機的輸出電壓。

 
能同時收集太陽能和機械能的復合型發(fā)電機問世。（圖片提供：王中林）

　　王中林介紹說，在串聯(lián)集成發(fā)電機中，太陽能電池單元的陽極和納米發(fā)電機的陰極被集成在同一塊硅片上。在測試時，集成發(fā)電機置于模擬太陽光照下，其下部納米發(fā)電機單元處于超聲波發(fā)生裝置中。由于超聲波的驅動，氧化鋅半導體和金屬電極之間的肖特基勢壘（指具有整流特性的金屬―半導體接面）則能控制電荷的積累與釋放，實現(xiàn)機械能到電能的轉化，并產(chǎn)生了一個壓電電勢差，電子因此被注入中間電極中，同時又參與太陽能電池單元的氧化還原反應，因而增加了太陽能電池單元的電流輸出。

　　而在與之相類似的并聯(lián)集成發(fā)電機中，太陽能電池單元和納米發(fā)電機的陽極被集成在同一塊鍍鉑的硅片上。在同樣的測試條件中，并聯(lián)結構使電子在納米發(fā)電機肖特基勢壘區(qū)域積累，致使陰極陽極間的費米面能級被重新調(diào)整。實驗結果表明，并聯(lián)集成發(fā)電機可以將納米發(fā)電機的輸出電壓從幾個毫伏提高到幾百個毫伏，它提供了一種新的納米發(fā)電機儲能的方式。

　　王中林說，人類生存的環(huán)境里存在各種各樣的能量供我們開發(fā)利用，例如隨機振動或運動動能（例如在靠近公路的地方）、太陽能、溫度梯度勢能（例如在數(shù)米深的地下溫度梯度相對恒定）、生物化學能以及超聲波，甚至聲波噪音等外部能源。他們的這項新發(fā)明首次證明了同時收集多種能源的集成混合發(fā)電機是可行的，同時，該研究也開辟了高效地同時利用多種不同能量的研究領域。這將使人類無論何時何地都能更有效地利用任何可用的能源。