新型多功能材料可同时将太阳能、热能和动能转化为电能

近日，芬兰奥卢大学的白洋博士（点击查看介绍）及其团队发展了一种新型的多功能材料，在同一材料上可同时将太阳能、热能和动能转化为电能。

人的周围分散着很多耗散和浪费掉的环境能量，如太阳能、环境中因温度改变而产生的热能，机器、人体运动而产生的动能等。这些能量可以收集起来并转化为可用的电能，用来供给便携式或可穿戴设备（包括生物医疗传感器、智能手表等）和其他无线传感网络（如物联网、智能城市等）。这种将废弃的环境能转换为电能的技术称为能量采集技术，是将来可以取代电池的永久型电源，即在很长一段时间内（至少20年以上）不用充电、不用更换、不用维护。

以当前的能量采集技术发展水平，人们只能使用特定的材料去转化指定的能量形式。比如，基于半导体材料的太阳能板只能用来采集太阳能和其他可见光能，利用电磁效应（如发电机、风电机等）只能采集动能（或称为机械能），特殊的合金材料采集热能等等。

然而，在现实中很多情况下，只采集单一的能量形式是不够的。特定的一种能量不可能时时刻刻存在。例如在室内或阴雨天，可利用的太阳能只有晴天时的0.04%至1%，并且太阳能板在夜晚不能工作；环境温度在一天中并不总是时时刻刻变化；人们需要休息，不是每时每刻运动来产生动能。因此，能量采集技术必须发展一种新的材料，可用来同时采集不同形式的能量，以达到最高的效率及环境能量利用率。

钙钛矿型结构的材料具有采集不同形式能量的潜质，但并不能同时采集。某些类型钙钛矿结构的材料善于采集太阳能，但是不能有效采集动能或热能；另一些则相反，善于采集动能及热能，但不能吸收太阳能中的可见光部分，即太阳光中的大部分能量。

白洋博士等人发现，KNBNNO材料是对当前钙钛矿结构材料的一种突破。KNBNNO是材料中6种化学元素的缩写，即代表钾、钠、钡、铌、镍、氧。这种新型的材料同时具备优良的压电及热释电性能，用来有效采集动能和温度波动产生的热能，并适用于可见光范围内半导体禁带的带宽，用于有效吸收可见光。他们仅利用同一材料即可收集三种不同形式的能量，大大提高了能量采集技术的效率及实用发电能力，并可以大大简化传统多源能量采集器的内部结构，降低设计及生产的成本。当阴雨天或夜晚不能采集太阳能时，该材料可以采集因温度改变而产生的热能；这种材料在人们休息时可以采集太阳能；在热能和太阳能都很少的时候，可以通过人体运动来弥补能量的不足，可以看作是一种万能的能量采集材料。

正如上文提到的，这种新型的多功能材料可作为电池的补充，甚至取代电池成为无线传感网络及可穿戴设备的永久性电源，大幅度延长设备的待机时间，无需频繁充电。相关成果近期发表在Advanced Materials 上，第一作者和通讯作者均为白洋博士。

该研究得到欧盟地平线2020计划提供的资金支持。

该论文作者为：Yang Bai, Pavel Tofel, Jaakko Palosaari, Heli Jantunen, Jari Juuti

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Game Changer: A Multifunctional Perovskite Exhibiting Giant Ferroelectricity and Narrow Bandgap with Potential Application in a Truly Monolithic Multienergy Harvester or Sensor

Adv. Mater., 2017, 29, 1700767, DOI: 10.1002/adma.201700767

白洋博士简介

白洋，芬兰奥卢大学研究员，欧盟玛丽居里研究基金获得者，英国物理学会总会及芬兰分部会员；2015年于英国伯明翰大学取得博士学位，授予伯明翰大学荣誉研究员称号；曾任中欧技术研究院高级研究员，主持并参与过欧盟委员会、华为、Sorigué等多项学术及工业研究项目，多次被邀请在相关领域知名学术会议上发表演讲，与包括英国剑桥大学、澳大利亚新南威尔士大学、芬兰阿尔托大学等知名高校的多位知名教授具有密切合作；研究领域为压电材料、多功能材料以及能量采集技术，研究成果得到世界经济论坛、美国物理联合会、德国知名研究咨询机构IDTechEx以及多家国际和芬兰国内媒体的大量报道。

白洋

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