一种柔性硅基水伏器件及其制备方法

本发明涉及水伏器件，具体涉及一种柔性硅微纳结构水伏器件及其制备方法。

背景技术：

1、发展高效清洁的可再生能源是解决我国能源问题的重要途径，也是实现双碳战略目标的关键。水是地球上最大的能量载体，在水中获得可再生能源是一种切实可行的方法。传统的水能利用通常需要借助堤坝和发电机组等设施，上述措施均具有建设成本高、易破坏生态环境等缺陷。近年来，基于水在纳米材料的表界面运动或蒸发会出现生电现象的“水伏效应”，在地球水循环过程中捕获电能相应出现了新的技术途径。

2、在现有水伏技术中，高性能器件材料主要由电极材料与半导体材料构成，其中，电极材料主要为炭黑、金属板等，半导体材料主要为硅、氧化锌、氧化钛等，上述结构都具有一定的机械刚性与脆性，由此限制了其在可穿戴电子设备中的应用。聚焦于柔性水伏领域，主要材料如纤维、pva、碳纳米管等，其内阻较大，较低的电导率严重阻碍电荷传输，由此造成巨大的电能浪费。

3、因此，如何同时利用硅基结构进行水伏发电以保证较高电学性能，同时使器件具备柔性来突破其应用场景是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中水伏发电的电学性能受限、器件柔性差的问题，提供一种柔性硅微纳结构水伏器件及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性硅微纳结构水伏器件，其包括：正极电极及负极电极；柔性硅组件层，所述柔性硅组件层设置于所述正极电极与所述负极电极之间，其包括相互连接的基底及纳米阵列层，其中，所述基底连接所述负极电极，所述纳米阵列层连接所述正极电极。

3、在本发明的一个实施例中，所述纳米阵列层包括多个阵列单元，多个所述阵列单元之间均匀间隔设置，且任意所述阵列单元均垂直于所述基底表面设置。

4、在本发明的一个实施例中，所述阵列单元为硅纳米线、硅纳米柱或硅纳米丘中的一种或多种。

5、在本发明的一个实施例中，所述柔性硅层组件厚度为70～110μm，其中，所述纳米阵列层厚度为20～30μm，所述基底厚度为50～80μm。

6、在本发明的一个实施例中，所述正极电极为碳纳米仿生织物电极、石墨织物电极或石墨/pedot:pss/织物电极中的一种，所述负极电极为金电极、银电极、铝电极或导电聚合物电极中的一种。

7、本发明还提供了一种，柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其用以制备上述的柔性硅微纳结构水伏器件，具体包括如下步骤：s1、将硅片进行前处理加工，得到可用于后续加工处理的预处理硅片；s2、在所述预处理硅片相对的两面分别连接所述正极电极及所述负极电极，得到半成品硅片；s3、在所述半成品硅片上制备纳米阵列层，得到目标柔性硅微纳结构水伏器件。

8、在本发明的一个实施例中，步骤s1中，所述前处理加工包括依次进行的图案化处理、预清洗处理、材料增重与单面封装处理。

9、在本发明的一个实施例中，步骤s2中，通过旋涂、喷涂、刮涂、喷墨打印或真空热蒸镀中的一种或多种方式在所述半成品硅片两侧连接所述正极电极及所述负极电极。

10、在本发明的一个实施例中，步骤s2中还包括步骤s21、对连接所述正极电极及所述负极电极后的所述半成品硅片进行研磨抛光机减薄加工，得到所述目标柔性硅微纳结构水伏器件。

11、在本发明的一个实施例中，步骤s3中，通过金属辅助化学刻蚀制备所述纳米阵列层，并对所述纳米阵列层进行脱金属处理；或通过光刻蚀制备所述纳米阵列层。

12、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

13、本发明所述的柔性硅微纳结构水伏器件及其制备方法，基于柔性硅组件的设置使其具有了较同类器件更低的器件内阻，进而带来更高的输出电流，同时其还拥有微秒级响应速度，在弯折条件下，仍能保证高性能的水伏产电过程。

14、本发明突破了传统高性能半导体水伏器件的机械刚性与脆性，大幅拓展水伏器件应用领域，使其可以应用于可穿戴电子、小型化传感器技术与医疗监测设备等领域，同时，不同于以往柔性水伏器件主要以电能利用率较低的有机纤维素等材料作为基底的结构设置，本申请采用高导电硅与微纳力学结构解决柔性条件下的导电的难题，不仅能够大幅提高电能利用率，而且作为其材料主体的单晶硅具有工业基础雄厚、与电子元件兼容性好、易于市场普及应用等特性，由此使本申请兼具材料易得、成本低、性能好且适用范围广泛的优势，此外，该器件在弯折状态下也能够保持稳定的信号输出，由此也为构造新型柔性可穿戴含水生理信号传感器奠定了基础。

技术特征：

1.一种柔性硅微纳结构水伏器件，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的柔性硅微纳结构水伏器件，其特征在于：所述纳米阵列层包括多个阵列单元，多个所述阵列单元之间均匀间隔设置，且任意所述阵列单元均垂直于所述基底表面设置。

3.根据权利要求1所述的柔性硅微纳结构水伏器件，其特征在于：所述阵列单元为硅纳米线、硅纳米柱或硅纳米丘中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的柔性硅微纳结构水伏器件，其特征在于：所述柔性硅层组件厚度为70～110μm，其中，所述纳米阵列层厚度为20～30μm，所述基底厚度为50～80μm。

5.根据权利要求1所述的柔性硅微纳结构水伏器件，其特征在于：所述正极电极为碳纳米仿生织物电极、石墨织物电极或石墨/pedot:pss/织物电极中的一种，所述负极电极为金电极、银电极、铝电极或导电聚合物电极中的一种。

6.一种柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其特征在于：用以制备权利要求1～5中任意一项所述的柔性硅微纳结构水伏器件，具体包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述前处理加工包括依次进行的图案化处理、预清洗处理、材料增重与单面封装处理。

8.根据权利要求6所述的柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其特征在于：步骤s2中，通过旋涂、喷涂、刮涂、喷墨打印或真空热蒸镀中的一种或多种方式在所述半成品硅片两侧连接所述正极电极及所述负极电极。

9.根据权利要求6所述的柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其特征在于：步骤s2中还包括步骤s21、对连接所述正极电极及所述负极电极后的所述半成品硅片进行研磨抛光机减薄加工，得到所述目标柔性硅微纳结构水伏器件。

10.根据权利要求6所述的柔性硅微纳结构水伏器件的制备方法，其特征在于：步骤s3中，通过金属辅助化学刻蚀制备所述纳米阵列层，并对所述纳米阵列层进行脱金属处理；或通过光刻蚀制备所述纳米阵列层。

技术总结本发明提供了一种柔性硅微纳结构水伏器件及其制备方法，其包括：正极电极及负极电极；柔性硅组件层，所述柔性硅组件层设置于所述正极电极与所述负极电极之间，其包括相互连接的基底及纳米阵列层，其中，所述基底连接所述负极电极，所述纳米阵列层连接所述正极电极。本发明突破了传统高性能半导体水伏器件的机械刚性与脆性，大幅拓展水伏器件应用领域，而且本申请采用高导电硅与微纳力学结构解决柔性条件下的导电的难题，此外，本申请兼具材料易得、成本低、性能好且适用范围广泛的优势，此外，该器件在弯折状态下也能够保持稳定的信号输出，由此也为构造新型柔性可穿戴含水生理信号传感器奠定了基础。技术研发人员：张泽堃,王玉生,孙宝全受保护的技术使用者：苏州大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29