Wear-resistant thin film-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing
Heutzutage sind Sensoren ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher Maschinen, in denen sie zur Steuerung, Leistungsoptimierung und Zustandsüberwachung eingesetzt werden. Im Alltag und im biomedizinischen Bereich, beispielsweise in Wearables, Kleidung oder implantierbaren medizinischen Geräten, dienen sie der Überwachung des Verhaltens oder physiologischen Zustands des Nutzers. Neben der Datenerfassung, -verarbeitung und -übertragung stellt die Energieversorgung eine der größten Herausforderungen dar. Triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), die auf der triboelektrischen Aufladung von Festkörpern bei Kontakt und anschließender Trennung basieren, bieten ein enormes Potenzial zur grünen Energiegewinnung für smarte und IoT-Geräte. Sie zeichnen sich durch kostengünstige Herstellung, einfache Integration und Einsatz im Niederfrequenzbereich aus. Dennoch besteht ein dringender Bedarf, die elektrische Leistung zu maximieren und gleichzeitig eine langfristig hohe Performance sicherzustellen.
Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, das Potenzial von verschleißfesten Dünnschicht-basierten TENGs zu erforschen und für die energieautarke Erfassung von Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu nutzen. Die Leistung der TENGs soll durch gezielte Oberflächenmodifikationen mit Dünnfilmen wie diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) oder zweidimensionalen Materialien (z. B. MXene) verbessert werden. Dabei wird angenommen, dass die triboelektrischen Eigenschaften solcher Filme durch Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur, Feuchtigkeit) beeinflusst werden. Ziel ist es, TENGs nicht nur für die Stromerzeugung zu nutzen, sondern auch Informationen über Betriebs- und Umweltbedingungen bereitzustellen.
Neben der Nutzung zur Stromerzeugung sollen die TENGs daher gezielt Informationen über diese Bedingungen bereitstellen. Die triboelektrischen Signale werden hierzu in zeitaufgelöste Signale, die aktuelle Betriebs- und Umweltbedingungen abbilden, sowie in langfristige Veränderungen unterteilt. Letztere liefern einerseits eine Basislinie, die zur korrekten Interpretation der Kurzzeitsignale notwendig ist, und geben andererseits Auskunft über den Verschleißzustand und die verbleibende Lebensdauer des Sensors.
Verschiedene Betriebsmodi von Triboelektrischen Nanogeneratoren
Ansprechpartner: Annika Hilgert