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A generalized model for tribovoltaic nanogenerator

多物理 物理 摩擦电效应 等效电路 接触带电 电压 二极管 电场 纳米发生器 量子力学 有限元法 热力学
作者
Xin Guo,Jing You,Di Wei,Jiajia Shao,Zhong Lin Wang
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:11 (2)
标识
DOI:10.1063/5.0196998
摘要

Converting mechanical energy into direct-current electric power based on the tribovoltaic effect is a typical characteristic of tribovoltaic nanogenerators (TVNGs). Although this newly discovered physics effect has been devoted to numerous research studies recently, a generalized theoretical model is still missing, thus unable to comprehensively elaborate the working principles of TVNG. Unlike previous qualitative explanations restricted to the conventional diffusion-drift theory, a new theoretical model is proposed according to classical semiconductor physics. Using the model, the governing equation of a TVNG is derived for the first time, which provides possibilities for revealing the variations of basic physical variables whether within the device or in an external circuit. The direct-current output is suggested to be the coupling of the tribovoltaic effect and contact electrification; in detail, it directly results from the movement and realignment of quasi-Fermi levels for excess carriers that are contiguous to the junction/contacting interface under non-equilibrium conditions. Moreover, an equivalent circuit model is established, equivalent to a constant current source parallel to a p–n junction diode according to the lumped parameter circuit theory. Notably, a new term, mechano-induced electric field EM, is defined and introduced to describe the impact of triboelectric charges at interfaces. Furthermore, using the COMSOL Multiphysics software, a dynamic simulation model for TVNGs is proposed, allowing the simulation and calculation of various TVNGs with different geometric constructions and charge distributions.
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