CN105226179B - 一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机及其发电方法 - Google Patents
一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机及其发电方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机及其发电方法，热发电机包括绝缘基底、单根一维同质结微/纳米线、电极、导线、封装材料。单根一维同质结微/纳米线放置在绝缘基底上，单根一维同质结微/纳米线两端分别焊接电极，电极分别连接有导线；封装材料将整个单根一维同质结微/纳米线、电极封装在薄膜基底上。本发明利用单根一维同质结微/纳米线中的成分差形成费米能级不均匀分布，实现所述热发电机在温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中的应用。本发明制备工艺简易，操作简便，可在大气环境中无需消耗其他能源的情况下实现发电，有效提高了环境能源的收集和利用。
Description
技术领域
本发明涉及微/纳米材料技术领域，特别涉及利用一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，适用于温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中，并可在大气环境中将热能转变为电能。
背景技术
近年来，新型微/纳米器件技术高速发展，国内外在其相关研究上投入了大量精力，各式纳米电子器件不断被开发出来，成为一个具有前所未有的应用前景的前沿科技领域。纳米线、纳米管、纳米带等一维纳米结构器件具有耗能少、尺寸小的优点，适用于传感、探测、生物植入等领域。然而，供给纳米结构器件运作的外电源直接或间接的来源于电池。由于电池的体积较大，质量较重，并且对环境和人体存在潜在危害，使电池在微/纳米应用方面非常受限。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授带领的研究小组利用垂直的ZnO纳米线阵列，成功地在纳米尺度下将环境中的容易损失的振动、流动、运动等机械能转化为电能。首次研制出世界上最小的发电装置。在日常环境中，除了易失的机械能之外，热能源的浪费也极大，如工业废热、人体及发动机产生的热量、地热等等，如何高效利用这些易流失的热量同样至关重要。
2012年，一种基于热电效应的锑掺杂氧化锌微/纳米带单根一维微/纳米发电机研制成功，可利用器件两端的温差，将电子或空穴由高温区往低温区移动，实现热电转换。由于微/纳米热电发电机尺寸小，因此实现空间上的温度梯度非常困难。为了克服在微/纳米尺寸上产生温度梯度的难题，一种单根一维热释电微/纳米发电机应运而生。单根一维热释电发电机的极化强度随温度改变而表现出的电子或电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流，可以利用温度随时间的变化实现热电转换。但是，以上方法的共同存在的问题还在于热/电转换的条件依赖于空间或时间上温度的变化。
发明内容
为了克服现有热/电转换技术中存在的对温差环境的依赖，本发明提供一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，能够用于温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中，并可在大气环境中实现发电。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，包括绝缘基底(101)、单根一维同质结微/纳米线(102)、电极一(103)、电极二(104)、导线(105)、封装材料(106)。单根一维同质结微/纳米线(102)放置在绝缘基底(101)上，单根一维同质结微/纳米线(102)两端分别焊接电极一(103)和电极二(104)，电极一(103)和电极二(104)分别连接有导线；封装材料(106)将整个单根一维同质结微/纳米线(102)、电极一(103)、电极二(104)封装在薄膜基底(101)上。
优选地，所述的单根一维同质结微/纳米线为成分不均匀的单根一维锡酸锌结微/纳米线。
优选地，所述绝缘基底为氧化铝陶瓷基底、氮化铝陶瓷基底或氮化硅陶瓷基底。
优选地，所述的金属电极为铝、银、铂或金。
优选地，所述的封装材料为环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明提供一种使用上述热发电机在温度稳定的环境中的发电方法，包括如下步骤：
将所述的热发电机与外电路相连，将热发电机放置于温度稳定的环境中。
优选地，所述温度稳定的环境为室温至400℃内的任一温度。
本发明提供一种使用上述热发电机在温度随空间位置变化的环境中的发电方法，包括如下步骤：
将所述热发电机与外电路相连，将热发电机一端固定于加热器上，使加热器对一端电极进行加热，另一端电极置于室温环境中。
优选地，所述加热器温度为室温至400℃以内的任一温度。
本发明提供一种使用上述热发电机在温度随时间变化的环境中的发电方法，包括如下步骤：
将所述热发电机与外电路相连，将热发电机周期性地与加热器接触，与加热器接触时，加热器对整个所述的热发电机进行加热。
优选地，所述加热器温度为室温至400℃以内的任一温度。
与现有技术相比，本发明的热发电机和利用热发电机进行发电的方法具有以下优点：
(1)应用上的新突破。本发明的热发电机克服现有热/电转换技术中存在的对温差环境的依赖，能够用于温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中，并可在大气环境中实现发电，具有更为广阔的应用领域。
(2)能量的高效利用。本发明的热发电机无需大规模、高强度的能量输入，仅需放置大气环境中即可，因此可有效的收集自然环境和人们日常生活中产生各种易流失的能量，并转换成电能，实现能源的高效利用。
(3)工艺简便、体积小、轻巧便携、兼容性好。本发明的热发电机结构简单、体积小、制作工艺简单、成本低廉，且无需特殊的工作环境，能够在有温差及无温差的环境中工作，因此具有很好的兼容性。
(4)用途广泛。通过将热发电机串联还可以进一步提高输出功率，可用于工业排热管道、供暖管道、地热等有热量排放的地方。
附图说明
图1为本发明热发电机的一种典型结构示意图。
图2为本发明热发电机在温度稳定的环境中的发电方法示意图。
图3为本发明热发电机在温度随空间位置变化的环境中的发电方法示意图。
图4为本发明热发电机在温度随时间变化的环境中的发电方法示意图。其中，图4(a)为加热器给热发电机加热时的状态，图4(b)为加热器离开发电机时的状态。
图5为本发明实施例中热发电机在温度稳定的环境下通过的电流及电压输出图。其中图5(a)为电压随时间的输出图，图5(b)为电流随时间的输出图。
图6为本发明实施例中热发电机在温度随空间位置变化的环境下通过的电流及电压输出图。其中图6(a)为电压随时间的输出图，图6(b)为电流随时间的输出图。
图7为本发明实施例中热发电机在温度随时间变化环境下的电流及电压输出图。其中图7(a)为电压随时间的输出图，图7(b)为电流随时间的输出图。
其中，101为绝缘基底、102为单根一维同质结微/纳米线、103为电极一、104为电极二、105为导线、106为封装材料、107为加热器、108为数据采集器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
本发明提供一种将工业废热、人体及发动机产生的热量、地热等自然界存在的热能转化为电能的结构简单的热发电机，能够为微型电子器件提供匹配的电源。本发明的热发电机利用单根一维同质结微/纳米线中的成分差形成费米能级不均匀分布，实现所述热发电机在温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中的应用。
图1示出的是本发明的热发电机的一种典型结构，依次包括绝缘基底101、单根一维同质结微/纳米线102、电极一103、电极二104、导线105、封装材料106。所述的绝缘基底101由氧化铝陶瓷基底、氮化铝陶瓷基底、氮化硅陶瓷基底任一材料构成。所述的单根一维同质结微/纳米线102为成分不均匀的锡酸锌，其制备步骤为：
1、清洗刚玉陶瓷基片；
2、分别取出3～5g高纯ZnO和3～5g高纯SnO2原料作为蒸发源放入洁净的陶瓷舟中，将陶瓷舟缓慢推入到陶瓷管中部，接着将装有硅片的陶瓷舟从陶瓷管另一端放入，并保证装有混合物的陶瓷舟正好对准热电偶处，以便更好地控制温度，让其有效蒸发；
3、设置管式炉温度和调节气体流速。首先在未加热状态下，让陶瓷管中预通氩气20min，排出管中的空气，同时要控制好气流速度，并控制管内气压，并将管式炉温度设定在1470℃，保持恒定的气流速度一直升到所需温度，接着保温3～5小时。
所述的金属电极一103、电极二104为同种材料，选自铝、银、铂、金。为区别所述单根一维同质结微/纳米线的富锌端和富锡端，对金属电极分别进行标记。所述的封装层选自环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。
结合图1，本发明的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机的制备步骤包括：
1、绝缘基底101采用规格为20mmⅹ10mmⅹ1mm的氧化铝陶瓷基底，用无水乙醇及去离子水超声清洗数次，自然晾干；将干燥的基底用干净的陶瓷舟放入箱式炉中，400℃大气环境下热处理10min，消除基底内部热应力；
2、单根一维同质结微/纳米线102采用直径为20μm长度为255μm的锡酸锌，分散单根一维同质结微/纳米线并横置于绝缘基底101上，在单根一维同质结微/纳米线102两端焊接电极，电极为银浆，与富锌端接触的电极标记为电极一103，与富锡端接触的电极标记为电极二104；
3、室温下待银浆干燥，在电极一103和电极二104焊接两根铜线作为导线105，引出电路；
4、涂覆预先调配好的封装材料106聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并放置于恒温加热面板上，升温至150℃固化2h，完成热发电机的制备。
下面结合图2、图3、图4分别介绍本发明的热发电机在温度随空间位置变化、温度随时间变化以及温度稳定的环境中发电方法及发电原理。
实施例1。
图2为本发明的热发电机在温度稳定的环境中的发电方法示意图，具体为使用上述热发电机进行发电。将所述热发电机与外电路相连，电极一103和电极二104是热发电机电流及电压的输出电极，这两个电极通过数据采集器108采集输出的电信号，其中经由数据采集器108连接电极一103和电极二104的电路称为本发明热发电机部分的外电路。将本发明的热发电机放置于加热器107上，加热器107的温度可稳定在室温至400℃内，本实施例采用200℃，所述的热发电机向外电路输出电流及电压信号。如图5(a)和(b)所示，在温度稳定在200℃的环境中，热发电机的输出电压为0.4mV，输出电流为0.25nA。由于一维结构锡酸锌的生长习性，生长过程中会在一维微/纳米线两端产生不同的极性，导致一维微/纳米线一端富锌另一端富锡，因此整个单根一维微/纳米线形成了内建电场方向由富锡端指向富锌端的nn型同质缓变结。在室温下，一维同质结微/纳米线内存在的缺陷被电离，且随着温度的升高电离强度增加。被电离的电子在同质结中分开，从而使基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机在温度稳定的环境中能够将热能转化为电能，其中富锌端电极一103为正极，富锡端电极二104为负极。在400℃内，热发电机的输出电流及电压随着温度的升高而增大。
实施例2。
图3为本发明的热发电机在温度随空间位置变化的环境中的发电方法示意图，具体为使用上述热发电机进行发电。将所述热发电机与外电路相连，电极一103和电极二104是热发电机电流及电压的输出电极，这两个电极通过数据采集器108采集输出的电信号。所述热发电机一端固定于加热器107上，使加热器107对一端电极二104进行加热，另一端电极一103置于室温环境中，加热器107的温度可稳定在室温至400℃内，本实施例采用200℃，所述的热发电机向外电路输出电流及电压信号。如图6(a)和(b)所示，当电极二104温度稳定在200℃，电极一103温度为室温时，热发电机的输出电压为0.5mV，输出电流为0.2mA。在温度随空间位置变化的环境下，热发电机由于热电效应而实现发电。当热发电机一端受热时，一维同质结微/纳米线中的多数载流子电子或空穴将随着温度梯度由高温区往低温区移动时，从而产生电流。本发明中采用的一维同质结微/纳米线为n型半导体锡酸锌，因此温度高的一端为负极端，温度低的一端为正极端。在400℃内，本实施例中热发电机的输出电流及电压随着空间位置温差的增大而增大。
实施例3。
图4为本发明的热发电机在温度随时间变化的环境中的发电方法示意图，具体为使用上述热发电机进行发电。将所述热发电机与外电路相连，电极一103和电极二104是热发电机电流及电压的输出电极，这两个电极通过数据采集器108采集输出的电信号。将所述热发电机周期性地与加热器107接触，与加热器107接触时，加热器107对整个所述的热发电机进行加热，接触的频率为30s/次，加热器107的温度稳定在200℃，所述的热发电机向外电路输出电流及电压信号。如图7(a)和(b)所示，热发电机与200℃的加热器107接触时，热发电机产生正向脉冲式电流及电压信号；热发电机离开加热器107时，热发电机产生负向脉冲式电流及电压信号。在温度随时间变化的环境下，热诱导的电偶极子在平衡轴附近的随机摆动，摆动幅度随着温度变化的增加而变大。在室温下的热摆动，电偶极子将会在各自的对称轴上随机摆动。在任一确定的温度下，电偶极子自发极化形成的总的平均强度是不变的，因此，热发电机没有电信号输出。当热发电机的温度从室温升高到较高时，温度的增加将导致电偶极子在各自的摆动幅度增大。由于摆动幅度的增加，总的平均自发极化降低。于是电极上感生电荷的量减少了，从而产生了电子的流动。当热发电机是被冷却时，由于较低的热激活能，电偶极子在摆动幅度减小，自发极化将增强。相应的电极上感生电荷的量也增加了。这将导致电子将沿着相反的方向流动。因此，在温度随时间变化的环境下，基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机能够实现将热能转化为电能，富锌端电极一103为正极，富锡端电极二104为负极。在400℃内，热发电机输出的脉冲式电流及电压的强度随着加热器107温度的升高而增大。
Claims (10)
1.一种基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，包括绝缘基底（101）、单根一维同质结微/纳米线（102）、电极一（103）、电极二（104）、导线（105）、封装材料（106）；单根一维同质结微/纳米线（102）放置在绝缘基底（101）上，单根一维同质结微/纳米线（102）两端分别焊接电极一（103）和电极二（104），电极一（103）和电极二（104）分别连接有导线；封装材料（106）将整个单根一维同质结微/纳米线（102）、电极一（103）、电极二（104）封装在薄膜基底（101）上；
其特征是所述的单根一维同质结微/纳米线为成分不均匀的单根一维锡酸锌结微/纳米线。
2.根据权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，其特征是所述绝缘基底为氧化铝陶瓷基底、氮化铝陶瓷基底或氮化硅陶瓷基底。
3.根据权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，其特征是所述的电极一、电极二为铝、银、铂或金。
4.根据权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机，其特征是所述的封装材料为环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机的发电方法，其特征是包括如下步骤：将所述的热发电机与外电路相连，将热发电机放置于恒温的环境中。
6.根据权利要求5所述的发电方法，其特征是所述恒温的环境为室温至400 ○C以内的任一温度。
7.权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机的发电方法，其特征是包括如下步骤：将所述热发电机与外电路相连，将热发电机一端固定于加热器上，使加热器对一端电极进行加热，另一端电极置于室温环境中。
8.根据权利要求7所述的发电方法，其特征是所述加热器温度为室温至400 ○C以内的任一温度。
9.权利要求1所述的基于单根一维同质结微/纳米线的热发电机的发电方法，其特征是包括如下步骤：将所述热发电机与外电路相连，将热发电机周期性地与加热器接触，与加热器接触时，加热器对整个所述的热发电机进行加热。
10.根据权利要求9所述的发电方法，其特征是所述加热器温度为室温至400 ○C以内的任一温度。
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