ナノ発電機
焦電型ナノ発電機の動作原理を一次の焦電効果と二次の焦電効果の2通りに分けて解説する。
一次の焦電効果はひずみがないときに発生する電荷に当たり、PZT、BTOなどの強誘電体材料の焦電応答を支配する。この機構は焦電体内の電気双極子が平衡軸の周りで不規則な揺動(熱運動)を行うことに起因する。温度が変化しない限り、この揺動の激しさは変化せず、双極子による自発分極の強さを時間的に平均すると一定となる。この間、焦電型ナノ発電機は何の出力も生み出さない。デバイス温度が上昇すると、双極子は配向軸に対してより広い角度で振動するようになる。揺動の角度が広がることにより、自発分極の強さの時間平均が減少する。これにともなって電極の誘導電荷が減少し、電流が生じる。逆にデバイスが冷却された場合には、熱運動の激しさが低下し、双極子の揺動の開き角が減少するため、自発分極は強化される。このとき電極に誘起される電荷が増加するので電流は先ほどと逆の方向に流れる。
二次の焦電効果は、熱膨張による格子ひずみが圧電的に電荷を誘起することに起因し、ZnO、CdSなどのウルツ鉱型物質で支配的となる。焦電体中に電位差が引き起こされれば、外部回路に電子が流れることになる。焦電型ナノ発電機の出力は材料の圧電係数や熱変形と関係がある。出力電流 I は、I = pA(dT/dt) の式で表される。ここでp は焦電係数、A はデバイスの有効面積、dT/dt は温度変化速度である。
比較的エネルギー消費が低いナノ・マイクロデバイスを運動エネルギーの豊富な環境で運用する場合に、ナノ発電機で自己給電を行うか、あるいは補助的なエネルギー源とすることが有望だと考えられている。2010年にはワンらがpHセンサやUVセンサに出力電圧20〜40 mVのVINGを組み込んで自己給電を可能にした例がある。
ただし、ナノ発電機が生成する電気エネルギーはナノ・マイクロデバイスの消費電力と比べても小さく、現在その応用範囲はバッテリーの補助エネルギー源にとどまっている。ブレークスルーを求めて、ナノ発電機を太陽電池や生化学エネルギーハーベスタのような別種のハーベスティングデバイスと組み合わせる研究が進められている。このアプローチは、自己給電が必須であるスマートダストなどのエネルギー源の発展につながると期待されている。
人が活動すると人体の周囲に豊富な力学的エネルギーが生み出される。TENGはこれを発電に利用し、携帯機器の充電や生物医学的な用途に当てることができる。柔軟性のある多層TENGをパッケージした靴の中敷きによって、歩行中の足底圧を利用したハーベスティングが行われている。このTENGは接触-分離モードを利用するもので、周期的な足底圧によって効率的に動作する。ワンらはこの技術により外部電源を用いずに点灯する靴を開発し、ディスプレイやエンターテインメントなど広い応用を見込んでいる。TENGをシャツの内側に貼り付けて身体動作から発電を行うことも行われており、通常歩行時の出力は最大で電圧17 V、電流密度0.02 μA/cmに達している。一層のサイズが2 cm×7 cm×0.08 cmのTENGを衣類に貼りつけたもので発光ダイオード(LED)30個を点灯したりリチウムイオン電池を充電することが可能だが、衣類を平手でたたき続ける必要がある。
その出力信号はZnOナノワイヤで同様の構造を作ったときと比べて16倍以上となることが示された。
カリフォルニア大学バークレー校のリウェイ・リンはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いたナノ発電機を提案した。高分子であるPVDFの作製には、上述の半導体材料とはまったく異なる近接場エレクトロスピニング(英語版)が用いられる。その生成プロセスを制御するとナノファイバー(英語版)を基板上に直接プリントすることが可能であり、自己給電型の繊維エレクトロニクスへの応用も期待されている。
圧電型ナノ発電機の性能は圧電定数に全面的に依存することから、圧電応答が高い新材料を探究することでデバイスの性能を高める方向性の研究もある。マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛(PMN-PT)は組成と方位次第で非常に高い圧電定数を実現できる次世代圧電材料である。2012年には高い圧電定数を持つPMN-PTナノワイヤが水熱法によって作製され、エネルギーハーベスティングデバイスに組み込まれた。後に作製された単結晶PMN-PTナノベルトは圧電定数の記録を塗り替え、圧電ナノ発電機の構成要素として欠かせない存在になった。
2010年までに報告された材料の比較を以下に示す。
摩擦の基本的なプロセスには、上述のような縦方向の接触-分離のほか横方向の滑りがある。ここでは二つの表面が面に沿って摺動する方式のTENGを示す。接触面が擦り合わされて強く帯電している状況で、二つの表面の接触面積を周期的に変化させると、電荷中心の間の横方向距離が開いたとき、外部負荷に電流を流すだけの電位差が生まれる。摺動による発電機構を右の模式図に示す。はじめの位置では二つの高分子層が完全に重なり合って隙間なく接している(図の左上)。これらの間には電子を引き付ける能力に大きな差があるため、摩擦帯電効果がはたらいて一つの表面には正の電荷が現れ、もう一つの表面にはそれと等しい密度で負の電荷が現れる。これらは絶縁体であるから、摩擦電気はその場に止まり、かなりの時間にわたって逃げることがない。したがって二層が重なり合っている配置では正電荷と負電荷の間隔が実質的にゼロとなり、電極間に電位差は生じない。ここで正電荷を帯びた上側プレートを右に滑らせると、電荷中心の間の距離が開き、右から左に向けて電場が作られる(図の右上)。その結果、上部電極の電位が相対的に高くなり、上部電極から下部電極へ向けて電流が流れる。こうして電極に誘起された電荷が、摩擦電気による電位差を打ち消す向きの電圧を生む。電極層と摩擦帯電層との間の垂直距離は横方向の滑り変位と比べて無視できるので、回路を流れた電荷の総量は分離した摩擦電荷の量とおよそ等しい。