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随着世界进入物联网和人工智能时代,微电子器件越来越小型化、可移动和多功能快速发展,用传统电池来驱动未来遍布全球的整个传感网络已不可能。物联网的成功迫切需要发展分布式移动纳米能源。分布式纳米能源可来源于太阳能、地热能、风能、水能或机械触发/振动等,虽然其不足以为主电网提供持续稳定的电力,但非常适合为无线移动传感器和自供电系统提供能量。摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）是近几年发展起来的一种新型能源收集器件,它能利用无处不在的摩擦起电效应产生的表面极化电荷随材料的接触-分离,进而产生位移电流并驱动外电路的电荷流动,从而将环境或生物体中的机械能转化为电能。因材料来源广泛、制备简单、成本低廉和尤其对低频能量有效的收集能力等优点,自2012年王中林院士课题组首次提出以来,TENG吸引了全球科学家的广泛持续关注,在微纳能源、无源传感、蓝色能源以及高压电源应用领域取得重大进展,被认为是实现分布式自驱动微纳能源最佳的选择和最有效的途径。然而,TENG的应用化发展之路仍面临着诸多的困难。源于功能材料自身较大的内阻、不稳定的能量输入、工作条件等因素,单个TENG器件普遍输出功率有限是严重制约其商业化应用发展的主要瓶颈。研究表明,TENG的输出能力主要由摩擦材料的表面电荷密度决定。为此,大量致力于提高摩擦电荷密度的方法,如材料的改性,有效接触面积的改善和工作条件的控制等被广泛研究。文献调研表明,当前关于TENG的研究在采集环境能量的形式上仍比较单一,普遍只涉及一种能量转化机制实现过程。因此,选择合适的功能材料,发展能同时收集环境中多种形式能量或实现多种能量转化机制的复合TENG是有效提升器件输出的重要方向。本文在基于材料选择的基础上,主要围绕光电-摩擦电、摩擦电-摩擦电和压电-摩擦电三方面的结合来设计和制备能同时收集多种形式能量或实现多种能量机制转化的复合TENG器件,以实现复合器件比在一种能量转化机制下更大的输出,文中还对各种复合器件的工作原理和复合输出增强机制进行了深入地讨论,其主要内容包括以下方面:首先,为从TENG内部结构机制寻求与光电转换的有效结合,在结合前期钙钛矿电池研究工作的基础上,采用优异光伏性能的有机-无机杂化钙钛矿Perovskite同时为摩擦电和光吸收功能层材料,平面的TiO2为电子传输层,超薄的并五苯Pentacene为空穴传输层,设计和制备了一种FTO/TiO2/perovskite/pentacene-PTFE/Al结构的钙钛矿基光电-摩擦电复合摩擦纳米发电机（P-TENG）,实现了对太阳能和振动机械能的同时采集和转化。光照下,器件的输出性能获得明显提升。测试结果分析表明,光照条件下器件输出性能的显著增强主要归因于两个方面的原因:一方面,光照下钙钛矿层中产生大量电子-空穴对,钙钛矿界面中TiO2电子传输层和Pentacene空穴传输层的同时引入在器件结构上形成一个优化的能带排布,有效地引导光生电子从钙钛矿向TiO2迁移,然后达到FTO电极。同时光生空穴会迅速地被Pentacene俘获,实现了电荷在器件中更有效的分离和转移,使得钙钛矿表面电荷密度大幅提高;另一方面,由于光照下钙钛矿层电导率的提高,引起器件的内阻降低也是提高器件输出的另一重要来源。其次,为克服多层TENG器件工作不同步问题,采用优良弹性的弹簧钢片作为电极和骨架,以PTFE/steel/PET/steel为结构重复单元,组装了一种结构新颖的可伸缩式多层摩擦电-摩擦电弹簧状摩擦纳米发电机（SL-TENG）,可用于收集振动机械能。实验观察到,器件的输出电流峰与标准单层器件符合得很好,表明弹簧钢片良好弹性和独特弹簧结构极大地改善了器件各摩擦层间接触-分离的同步性;在合适的振动频率下,器件工作同步性还可以得到更好的调谐和进一步加强,这使得SL-TENG器件各摩擦层单元的输出得到了很好叠加。因此,随着层数增加,其输出成倍增大。对实验结果进一步分析认为,除工作同步性的提升、表面粗糙度的改善、合适的频率和振幅、摩擦面积的增大等因素外,发现层数增加引起的器件内阻减小也可能是多层SL-TENG输出性能提升的重要原因。最后,为实现在同一器件结构中更有效地收集机械能,以低成本柔性的PDMS和PVDF有机聚合物薄膜分别为摩擦电和压电功能层材料,设计和制备了Al/PVDF/Cu-PDMS/ITO/PET结构的聚合物压电-摩擦电复合纳米发电机（PH-TENG）,在同一器件结构中同时实现摩擦电和压电的同步转化。此外,进一步通过石墨烯量子点GQD和二氧化钛TiO2纳米颗粒分别对PDMS和PVDF聚合物薄膜进行复合改性,制备的改性器件同步地获得了摩擦电和压电输出的双重增强。对测试结果分析认为,摩擦电部分输出的提升主要来源于掺杂导电的GQD后制备的PDMS薄膜介电性质的改善以及表面微结构变化引起的有效接触的加强,使得更多的摩擦电荷聚集在PDMS薄膜表面;而压电部分输出的增强则主要归结为TiO2纳米粒子添加后制备的PVDF薄膜中诱导和形成了更多比例的β压电极化相产生的结果。因此,通过GQD和TiO2纳米颗粒分别对PDMS和PVDF聚合物薄膜的复合改性,使得复合器件实现了更有效地将机械能转换为电能。