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CN116718730A - 一种一体式自供能气体传感器件平台 - Google Patents

一种一体式自供能气体传感器件平台 Download PDF

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CN116718730A CN202310681576.8A CN202310681576A CN116718730A CN 116718730 A CN116718730 A CN 116718730A CN 202310681576 A CN202310681576 A CN 202310681576A CN 116718730 A CN116718730 A CN 116718730A
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张博威
荣超
褚天舒
周泽
轩福贞
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East China University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种一体式自供能气体传感器件平台，涉及气体检测技术领域，包括钙钛矿太阳能电池组、摩擦电纳米发电机和叉指电极，所述摩擦电纳米发电机设置于两个柔性基板之间，所述叉指电极设置于上层的所述柔性基板上并涂覆有气敏材料，所述钙钛矿太阳能电池组设置于上层的所述柔性基板上并与所述摩擦电纳米发电机并联连接，所述钙钛矿太阳能电池组和所述摩擦电纳米发电机的两个电极分别连接所述叉指电极的两个电极。本发明提供的一体式自供能气体传感器件平台，体积小，便于携带，工作过程安全稳定，可通过调整敏感涂层材料，满足不同的检测需求。

Description

一种一体式自供能气体传感器件平台
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种一体式自供能气体传感器件平台。
背景技术
有毒气体包括丙酮、硫化氢、甲醛、二氧化氮等，这些气体会通过呼吸器官在人体内部对脏器造成危害，还会抑制人体内部组织或细胞的换氧能力，引起肌体组织缺氧而发生窒息性中毒。无色无味易燃易爆气体包括甲烷、氢气等，在泄漏时难以被察觉，与空气混合达到一定比例时，遇明火会引起燃烧甚至爆炸，造成危害。因此，使用气体传感器对各种气体的使用过程进行监测从而保障安全的重要性不言而喻。目前，代表性的气体传感技术主要包含催化、热导、电化学、电阻式。其中，催化式传感器对可燃性气体的选择性较差，且需加热到较高的温度才能工作，使用过程中存在安全隐患；热导式传感器检测精度不高，对高热导率气体(如CH4，CO)选择性差；电阻式传感器易受到电磁场、振动、气流的影响；电化学气体传感器其响应速度较慢且使用寿命较短。
目前市面上各类气体传感器整体系统复杂，成本高昂，体积较大，不便于携带。此外，传感模块一旦选定，很难再检测其他种类的气体。传统的气体传感器供电方式包括直流供电、一次性锂电池供电、充电型锂电池供电等，通常需要携带外置电源，并且传感器的柔韧性较差，这会使得传感器体积增大而显得笨重。此外，在使用过程中外置电源暴露在检测气体(如H2、CH4)中会产生安全隐患，极大地限制了气体传感器的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种一体式自供能气体传感器件平台，以解决上述现有技术存在的问题，体积小，便于携带，工作过程安全稳定，可通过调整敏感涂层材料，满足不同的检测需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种一体式自供能气体传感器件平台，包括钙钛矿太阳能电池组、摩擦电纳米发电机和叉指电极，所述摩擦电纳米发电机设置于两个柔性基板之间，所述叉指电极设置于上层的所述柔性基板上并涂覆有气敏材料，所述钙钛矿太阳能电池组设置于上层的所述柔性基板上并与所述摩擦电纳米发电机并联连接，所述钙钛矿太阳能电池组和所述摩擦电纳米发电机的两个电极分别连接所述叉指电极的两个电极。
优选地，所述钙钛矿太阳能电池组包括多个串联连接的钙钛矿太阳能电池。
优选地，所述叉指电极为采用3D打印方式将导电银浆打印在上层的所述柔性基板上形成。
优选地，所述摩擦电纳米发电机包括依次叠放的铝层、聚四氟乙烯层和铜箔层。
优选地，所述柔性基板为PET材料。
优选地，所述气敏材料包括WO3、Pd/SnO2/MoS2、In2O3、WS2、NiO/还原氧化石墨烯、ZnO/graphene、NiO、SnO2/还原氧化石墨烯和ZnO。
优选地，所述柔性基板的尺寸为60×60mm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种一体式自供能气体传感器件平台，将叉指电极、钙钛矿太阳能电池组与摩擦电纳米发电机结合起来，并集成在柔性基底上，形成一体式自供能气体传感器件平台，体积小，便于携带，工作过程安全稳定，并且可以根据不同的气体检测需求，更换气敏材料涂层，从而实现多种气体检测。在阳光充足时，钙钛矿太阳能电池组作为主要供电来源，最大电压达6V，且极其稳定；阴暗条件下，轻微扰动即可通过摩擦电纳米发电机摩擦生电产生最大为30V的瞬时电压，可为传感器补充供电；这两种供电模块的组合使得传感器能够在不需要外部电源的情况下工作，从而实现了自供能，避免了电火花暴露在气体氛围中的危险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明采用3D打印方式将导电银浆打印在柔性基板上并涂覆气敏材料形成的传感模块的示意图；
图2为钙钛矿太阳能电池结构及原理示意图；
图3为摩擦电纳米发电机工作原理示意图；
图4为本发明提供的一体式自供能气体传感器件平台的爆炸结构示意图；
图5为本发明提供的一体式自供能气体传感器件平台的俯视示意图；
图6为本发明提供的一体式自供能气体传感器件平台的侧视示意图；
图中：1-钙钛矿太阳能电池组、2-叉指电极、3-柔性基板、4-钙钛矿太阳能电池、5-铝层、6-聚四氟乙烯层、7-铜箔层、41-金属电极层、42-电子传输和阻碍空穴层、43-钙钛矿光吸收层、44-空穴迁移层、45-传输导电氧化物、46-涂层玻璃。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种一体式自供能气体传感器件平台，以解决现有技术存在的问题，体积小，便于携带，工作过程安全稳定，可通过调整敏感涂层材料，满足不同的检测需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图6所示，本实施例提供一种一体式自供能气体传感器件平台，包括钙钛矿太阳能电池组1、摩擦电纳米发电机和叉指电极2，摩擦电纳米发电机设置于两个柔性基板3之间，叉指电极2设置于上层的柔性基板3上并涂覆有气敏材料，钙钛矿太阳能电池组1设置于上层的柔性基板3上并与摩擦电纳米发电机并联连接，钙钛矿太阳能电池组1和摩擦电纳米发电机的两个电极分别连接叉指电极2的两个电极。
将叉指电极2、钙钛矿太阳能电池组1与摩擦电纳米发电机结合起来，并集成在柔性基板3上，形成一体式自供能气体传感器件平台，体积小，便于携带，工作过程安全稳定，并且可以根据不同的气体检测需求，更换气敏材料涂层，从而实现多种气体检测。在阳光充足时，钙钛矿太阳能电池组1作为主要供电来源，最大电压达6V，且极其稳定；阴暗条件下，轻微扰动即可通过摩擦电纳米发电机摩擦生电产生最大为30V的瞬时电压，可为传感器补充供电；这两种供电模块的组合使得传感器能够在不需要外部电源的情况下工作，从而实现了自供能，避免了电火花暴露在气体氛围中的危险。
本实施例中，钙钛矿太阳能电池组1包括多个串联连接的钙钛矿太阳能电池4，优选为三个串联连接的钙钛矿太阳能电池4。如图2所示，为钙钛矿太阳能电池结构及原理示意图。图中：金属电极层41为铝(Al)；电子传输和阻碍空穴层42为富勒烯衍生物(PCBM)；钙钛矿光吸收层43为钙钛矿化合物(MAPbI3)；空穴迁移层44为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。钙钛矿不仅能够产生空穴和电子，还能依靠自身传输。其工作原理可简化为“光子进，电子出”，将不同的“层”堆叠在一起组成整体，每层都有其特定的作用，结构由金属电极层Al、电子传输和阻碍空穴层PCBM、钙钛矿光吸收层MAPbI3、空穴迁移层PEDOT:PSS、传输导电氧化物TCO、涂层玻璃Glass组成。当太阳光照在钙钛矿电池上，太阳光光子能量大于带隙时，钙钛矿层吸收光子并产生“电子-空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上；空穴迁移层则将与电子分离的空穴传输到正极上，进一步在外电路形成电荷定向移动，从而产生电流，实现光能向电能的转换。该电池稳定电压可达6V，可满足整个传感器件的运行需求，作为自供能系统主要供电来源。
详细来说，器件的工作机制总体可以被划分为五个过程：
(1)光子吸收过程：受到太阳光辐射时，电池的光吸收层材料吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子。
(2)激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内运动。激子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到界面处。
(3)激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，其中电子跃迁到激发态，进入LUMO能级，解除束缚的空穴留在HOMO能级，进而成为自由载流子。
(4)载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电子传输层向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。
(5)电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集，两极形成电势差。电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。
本实施例中，叉指电极2为采用3D打印方式将导电银浆打印在上层的柔性基板3上形成。如图1所示，为采用3D打印方式将导电银浆打印在柔性基板3上并涂覆气敏材料形成的传感模块的示意图，制备工艺简单快捷，成本低廉，轻巧方便，柔韧性好，可以根据检测需求快速更换涂敷不同种类的气敏材料，实现多种气体检测。具体来说，是将气敏材料与去离子水进行混合，超声10分钟以便让其混合的更均匀，再通过滴注法将气敏材料胶体溶液均匀地沉积在导电银胶叉指电极上，最后，在60℃条件下，将整个传感模块材料在真空干燥箱中干燥2小时。图中A表示与钙钛矿太阳能电池的电源接口，B表示与摩擦电纳米发电机的电源接口，C表示银叉指电极和气体敏感涂层。
本发明实现气体传感的主要原理是利用气敏材料吸附气体分子，并引起气体敏感材料电阻率的变化，从而实现对气体浓度的检测。详细来说，当气体分子进入气敏材料的孔隙中时，会发生物理吸附，气体分子与气敏材料之间发生相互作用，从而改变气敏材料的电阻率。气体浓度越高，与导电聚合物相互作用的气体分子也越多，电阻率的变化就越大。因此，传感器可以通过测量电阻率的变化来判断气体浓度的变化。可以通过更换不同的气敏材料涂层来实现检测不同的气体。
本实施例中，气敏材料包括WO3、Pd/SnO2/MoS2、In2O3、WS2、NiO/还原氧化石墨烯、ZnO/graphene、NiO、SnO2/还原氧化石墨烯和ZnO。根据检测需求选择不同的气敏材料，从而达到检测不同种类气体的效果。如表1所示，为气体敏感涂层材料以及其对应检测的气体类型。本发明气敏材料不限于上述所列气敏材料，其他能够对相应气体产生响应的气敏材料都在本发明的保护范围之内。
表1气体敏感涂层材料以及其对应检测的气体类型
气敏材料 检测气体类型 检测浓度 响应时间
WO3 H2S 50ppm 1.7s
Pd/SnO2/MoS2 H2 30ppm 5s
In2O3 NO2 50ppm 5s
WS2 NH3 5ppm 120s
NiO/还原氧化石墨烯 CH4 1000ppm 30s
ZnO/graphene 甲醛HCHO 100ppm 30s
NiO 乙醇 400ppm 10s
SnO2/还原氧化石墨烯 C2H5OH 1.12ppm 5s
ZnO 丙酮 100ppm 5s
本实施例中，摩擦电纳米发电机包括依次叠放的铝层5(Al)、聚四氟乙烯层6(PTFE)和铜箔层7(Cu)。如图3所示，为摩擦电纳米发电机工作原理示意图。图中a：未施加机械力的原始位置；b：外力使Al和PTFE接触，在Al侧产生正摩擦电荷，在PTFE侧产生负电荷；c：电位差将电子从Al电极驱动到PTFE电极，屏蔽摩擦电荷并在Cu电极上产生感应电荷；d：在屏蔽所有正摩擦电荷之后，恢复原始位置；e：当重新施加力时，电子被驱动回到Cu箔电极，屏蔽感应电荷。
摩擦电纳米发电机中，铝层起着电极和摩擦材料的双重作用，PTFE作为铝电极的接触层。沉积在PTFE背面的Cu层起了传递电流的作用。该摩擦电纳米发电机在外界轻微扰动下即可触发生电，其最大瞬时电压可达到30V，可满足传感器件平台的使用条件。摩擦电纳米发电机的原理是利用纳米材料的高表面积、低维度效应等特性，将机械能转化为电能，实现了对微小振动、摩擦等能量的高效采集。通常摩擦纳米发电机发电是通过接触起电和静电感应产生。所谓接触起电，就是说任意两种不同的材料，只要接触了，由于原子间距靠近，有些核外电子轨道被共用，而使得电子在两个原子间发生转移的现象。而在接触起电发生后，将两种接触的介电材料分开，由于其是介电材料，不导电，所以之前获得或失去电子的状态得以保留，故此时两种介电材料一个带负电一个带正电。如果将其分别通过外电阻连接到一起，当分开或靠拢这两个介电材料做成的板的时候，其间隙的电容发生变化，可以束缚的电荷量也会变化(此处实质上就是静电感应现象)。由于它们此时是分开的，不能直接接触，电子会通过外电路流过负载，以此完成电荷转移，由此实现发电的功能。
本实施例中，柔性基板3为PET材料。
本实施例中，柔性基板3的尺寸为60×60mm。
本发明提供的一体式自供能气体传感器件平台的整体尺寸仅为60×60×3mm(长×宽×厚度)，体积较小，且采用柔性PET基板作为基底，方便工作人员携带。
本发明采用3D打印叉指电极并涂敷气敏材料形成传感模块，通过调整传感模块的形状与间距，以3D打印的方式将其集成在一片60×60mm的柔性PET基板上，使其便于携带，可以根据实际检测需求涂敷不同的气敏材料。本发明中三个钙钛矿太阳能电池通过串联实现有光供电，摩擦电纳米发电机选取生活中常见的铝箔、铜箔以及PTFE组合实现无光供电，与钙钛矿电池并联，在室内和室外环境中均可稳定工作，具有较多的应用场景，市场潜力巨大。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：包括钙钛矿太阳能电池组、摩擦电纳米发电机和叉指电极，所述摩擦电纳米发电机设置于两个柔性基板之间，所述叉指电极设置于上层的所述柔性基板上并涂覆有气敏材料，所述钙钛矿太阳能电池组设置于上层的所述柔性基板上并与所述摩擦电纳米发电机并联连接，所述钙钛矿太阳能电池组和所述摩擦电纳米发电机的两个电极分别连接所述叉指电极的两个电极。
2.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池组包括多个串联连接的钙钛矿太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述叉指电极为采用3D打印方式将导电银浆打印在上层的所述柔性基板上形成。
4.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述摩擦电纳米发电机包括依次叠放的铝层、聚四氟乙烯层和铜箔层。
5.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述柔性基板为PET材料。
6.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述气敏材料包括WO3、Pd/SnO2/MoS2、In2O3、WS2、NiO/还原氧化石墨烯、ZnO/graphene、NiO、SnO2/还原氧化石墨烯和ZnO。
7.根据权利要求1所述的一体式自供能气体传感器件平台，其特征在于：所述柔性基板的尺寸为60×60mm。
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