Piezo-Folie als autarker Drucksensor

In den Kunststoff eingeprägte Mikropyramiden vervielfachen die Stromausbeute

Mit Nanodrähten aus Zinkoxid oder Galliumnitrid erreichen piezoelektrische Module Leistungen von einigen Mikrowatt. Diese Minikraftwerke können damit Sensoren und einzelne Leuchtdioden versorgen oder auch Kondensatoren nach und nach aufladen. Auch Polymere können über den piezoelektrischen Effekt mechanischen Druck in elektrischen Strom umwandeln. Die Ausbeute dünner Piezo-Folien konnten nun koreanische Forscher von der Sungkyunkwan University in Suwon signifikant steigern.

Die Arbeitsgruppe um Ju-Hyuck Lee fertigte eine durchsichtige Folie, die sie testweise als autarken Regen- und Windsensor einsetzten. Für ihren Prototyp wählten sie ein piezoelektrisches Polymer, Polyvinylidenfluorid, das sie über ein Spin-Coating-Verfahren in dünnen, transparenten Schichten auf eine leitfähige Unterlage aus Indiumzinnoxid auftrugen. Auf der Unterseite dampten sie eine nur 200 Nanometer dünne Silberschicht als Elektrode auf. Im Unterschied zu bisherigen piezoelektrischen Foien prägten die Forscher mit einem mikrostrukturierten Stempel aus Siliziumdioxid zahlreiche winzige Pyramiden mit Kantenlängen von nur zehn millionstel Metern in diesen Piezokunststoff. Dank dieser Struktur reichten geringe Drücke von etwa einem zehntel bar aus, um Spannungen von drei Volt bei gut einem Mikroampere Stromstärke zu erreichen.

Höhere Drücke führten zu höheren Ausgangsspannungen und Stromstärken von bis zu vier Mikroampere. Piezo-Folien ohne Pyramiden-Struktur erreichten dagegen nur ein Fünftel dieser Stromausbeute. Weitere Versuche belegten, dass schon wenige aus nur 14 Zentimeter Höhe einfallende Wassertropfen genügten, um mit der Folie messbare Strompulse zu erzeugen. Diese hohe Empfindlichkeit konnten Ju-Hyuck Lee und Kollegen sogar für die Messung von leichten Winden nutzen. So detektierte die Piezo-Folie zuverlässig selbst einen leisen Windhauch mit nur knapp einer Windstärke (Beaufort-Skala). Mit zunehmender Windstärke stieg auch die Stromausbeute fast linear an. Entsprechend ließ sich die Piezo-Folie als relativ genauer Windsensor nutzen.

Zum Aufladen von Laptops oder Smartphones reicht der erzeugte Strom längst nicht aus. So taugt diese Piezo-Folie nicht für mobile Mini-Kraftwerke. Aber als autarker Drucksensor, der ohne Batterien oder elektrischen Anschluss betrieben werden kann, ließe sich die widerstandsfähige Piezo-Folie beispielsweise für ein flächendeckendes Umweltmonitoring verwenden. In weiteren Versuchen wäre noch zu prüfen, ob die elektrische Leistung auch zum Betrieb eines kleinen Funksenders ausreicht, um die Messdaten schnurlos an einen nahe gelegenen Empfänger zu senden.

Im Unterschied zu piezoelektrischen Modulen mit Zinkoxid-Nanodrähten könnten Piezo-Folien mit eingeprägter Mikrostruktur über ein Druckverfahren günstiger und im großen Maßstab hergestellt werden. Abhängig von dem verwendeten Trägermaterial für das piezoelektrische Polymer wären nicht nur durchsichtige, sondern auch flexible Drucksensoren möglich.

Jan Oliver Löfken

Ju-Hyuck Lee et al., Micropatterned P(VDF-TrFE) Film-Based Piezoelectric Nanogenerators for Highly Sensitive Self-Powered Pressure Sensors, Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201500856

Institut für Nanoelektronik (NESEL), Sungkyunkwan University, Suwon: http://nesel.skku.edu/index.html

Weiterführende Literatur:

B. Kumar, S.-W. Kim, Energy harvesting based on semiconducting piezoelectric ZnO nanostructures, Nano Energy 2012, 1, 342. DOI: 10.1016/j.nanoen.2012.02.001

W. Zeng, X.-M. Tao, S. Chen, S. Shang, H. L. W. Chan, S. H. Choy, Highly durable all-fiber nanogenerator for mechanical energy harvesting, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2631. DOI: 10.1039/C3EE41063C

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