The triboelectric nanogenerator (TENG) is a new energy technology to convert mechanical energy into electricity based on contact electrification and electrostatic induction. An effective way to improve power generation of TENG is to increase the effective contact area through introducing micro-/nano-textures onto the contact surface. However, the definition and quantitative analysis on the “effective” contact area of micro-/nano-textures is still in doubt so that the design of surface texture to improve the output of TENG is lack of theoretical basis. In this paper, an adhesive contact model considering textures is established, and the computational methods such as inexact Newton method, bi-conjugate stabilized (Bi-CGSTAB) method and fast Fourier transform (FFT) technique are employed to quantitatively analyze the effects of applied force and texture size on the effective contact area and open-circuit voltage. On the other hand, the pyramid textured surfaces of TENG are fabricated through lithography, wet etching and replication techniques, the test platforms of contact area and electrical output for TENGs are constructed as well, and results from simulation and experiment are compared at last. It is shown that, firstly, the four sides of pyramid texture are involved in the contact electrification and therefore the effective contact area should be the sum of the pyramid lateral area involved in contact when contact only happens in texture region, or the sum of pyramid lateral area and flat area involved in contact when contact happens in both texture and flat regions. Secondly, under lighter loading, the open-circuit voltage of TENGs with pyramid textures increases due to the increase of contact area, while under heavier loading, the open-circuit voltage remains stable due to the unchanged contact area. In addition, the contact area and open-circuit voltage of TENGs will increase with increased texture pitch under lighter applied force while decrease with increased texture pitch under heavier applied force. This study reveals the correlation between the contact area and electrical performance of TENG with textured surfaces and provides theoretical basis for texture design of TENG.

摩擦电动纳米发电机（TENG）是一项新的能源技术，可基于接触带电和静电感应将机械能转化为电能。改善TENG发电的有效方法是通过在接触表面上引入微/纳米纹理来增加有效接触面积。然而，关于微观/纳米结构“有效”接触面积的定义和定量分析仍存在疑问，因此，用于提高TENG产量的表面纹理设计缺乏理论依据。本文建立了一种考虑纹理的胶粘剂接触模型，并提出了不精确的牛顿法，采用双共轭稳定（Bi-CGSTAB）方法和快速傅里叶变换（FFT）技术定量分析了施加力和织构尺寸对有效接触面积和开路电压的影响。另一方面，通过光刻，湿法刻蚀和复制技术制备了TENG的金字塔形表面，并构建了TENG的接触面积和电输出的测试平台，最后对仿真和实验结果进行了比较。结果表明，首先，金字塔纹理的四个侧面都参与了接触带电，因此，当仅在纹理区域发生接触时，有效接触面积应为接触所涉及的金字塔侧面面积的总和；或在纹理和平坦区域均发生接触时，接触所涉及的金字塔侧面面积和平坦面积之和。其次，在较轻的负载下，具有金字塔结构的TENG的开路电压由于接触面积的增加而增加，而在较重的负载下，由于接触面积不变，开路电压保持稳定。另外，在较轻的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而增加，而在较重的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而减小。该研究揭示了TENG与带纹理表面的接触面积和电性能之间的相关性，并为TENG的纹理设计提供了理论基础。由于接触面积的增加，具有金字塔结构的TENG的开路电压增加，而在较重的负载下，由于接触面积不变，开路电压保持稳定。另外，在较轻的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而增加，而在较重的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而减小。该研究揭示了TENG与带纹理表面的接触面积和电性能之间的相关性，并为TENG的纹理设计提供了理论基础。由于接触面积的增加，具有金字塔结构的TENG的开路电压增加，而在较重的负载下，由于接触面积不变，开路电压保持稳定。另外，在较小的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随纹理间距的增加而增加，而在较大的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随纹理间距的增加而减小。该研究揭示了TENG与带纹理表面的接触面积和电性能之间的相关性，并为TENG的纹理设计提供了理论基础。在较轻的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而增加，而在较重的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而减小。该研究揭示了TENG与带纹理表面的接触面积和电性能之间的相关性，并为TENG的纹理设计提供了理论基础。在较轻的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而增加，而在较重的作用力下，TENGs的接触面积和开路电压将随着纹理间距的增加而减小。该研究揭示了TENG与带纹理表面的接触面积和电性能之间的相关性，并为TENG的纹理设计提供了理论基础。