**全文总结**：
本文围绕摩擦纳米发电机（TENG）输出电荷密度展开研究。TENG输出性能提升是其作为独立电源及大规模商业应用的关键，而输出电荷密度对提升输出电压和电流至关重要。此前研究多聚焦单个参数，忽略多因素相互作用。本文系统研究陷阱态密度、相对介电常数、漏电流密度、介电损耗和摩擦电介质层有效功函数等关键参数，揭示电荷行为间权衡对TENG性能影响的潜在机制。通过使用聚二甲基硅氧烷/CaCu₃Ti₄O₁₂（PDMS/CCTO）复合膜作为摩擦电介质层并结合外部电荷激励策略，制备的外部电荷激励TENG（ECE - TENG）输出电荷密度达理论最大值的87%，超越文献报道值。此外，优化的ECE - TENG能为电致变色膜持续供电，实现室内光温调节。该研究为提高TENG输出性能提供了全面分析和可行策略，对摩擦电能量收集未来优化具有指导意义。
- **TENG研究背景与挑战**：物联网发展迅速，传统电网供电模式难以适配其分布式传感器节点。TENG因成本低、材料选择丰富、低频输出性能好，成为环境机械能收集的理想装置，但输出性能有待提升。输出电荷密度对提升TENG输出电压和电流至关重要，而此前多因素对其影响机制未得到充分研究。
- **PDMS/CCTO复合膜特性**：研究通过旋涂法制备不同CCTO含量的PDMS/CCTO复合膜。SEM、XRD等表征手段显示，CCTO与PDMS基质兼容性良好，且成功掺入PDMS基质。CCTO含量增加，复合膜相对介电常数提升，但介电损耗和漏电流密度也增大，同时表面粗糙度增加有利于提高TENG输出。例如，PDMS/CCTO - 15 wt%复合膜相比纯PDMS膜，在低频（100Hz）下相对介电常数从2.7提升至5.18 。
- **CS - TENG输出性能**：分析无机填料对有效功函数和陷阱态密度的影响，发现CCTO含量变化影响复合膜与Cu电极间功函数差及陷阱态密度，进而影响电荷转移量。虽然高含量PDMS/CCTO复合膜相对介电常数提升有利于增强CS - TENG输出，但过多CCTO会增加介电损耗和漏电流密度，降低输出电荷密度。如PDMS/CCTO - 15 wt%的CS - TENG输出性能最佳，但输出电荷密度仅为理论值的17%，可能因接触起电能力不足。
- **ECE - TENG输出性能**：为摆脱接触起电对输出电荷密度的限制，提出ECE - TENG电荷激励策略。实验表明，PDMS/CCTO - 15 wt%的ECE - TENG在电荷产生、存储和耗散间达到最佳平衡，输出性能显著优于其他含量的ECE - TENG，输出电荷密度达到理论值的83%。同时，外部电容Cex和工作频率f影响ECE - TENG输出，优化条件下其输出电荷密度可达理论值的87%，且具有良好耐久性。
- **ILTRS的验证**：构建由ECE - TENG、电致变色膜和电源管理电路组成的室内光温调节系统（ILTRS）。该系统切换时间为0.1s，能快速在不透明和透明状态间切换。电致变色膜在405、523和635nm波长下，不透明度和透光率分别高于62%和87%，1200s光照后室内外温差达16°C，显示出在室内光温调节节能方面的应用潜力，且ECE - TENG能轻松驱动温湿度计。