CN109347360B - 一种接触分离式半导体摩擦发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触分离式半导体摩擦发电机，在现有技术的基础上，增加了覆盖在一侧极板接触面上并有一系列空隙的绝缘层，而未覆盖绝缘层的另一侧极板在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层空隙形成凸起，或未覆盖绝缘层的另一侧极板接触面在绝缘层空隙处设置有凸起，从而实现P型半导体(金属)极板与N型半导体极板的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区。这样在两侧极板分离时，接触点(位置)先分开。绝缘层所在位置形成平板电容器，将两侧的电压升幅限制在较小区间，因此，分离过程中通过接触点的反向漏电流很小，分离后可以将尽可能多的电荷保留在两侧极板中，从而提升了能量收集的效能。

Description

一种接触分离式半导体摩擦发电机
技术领域
本发明属于摩擦发电技术领域，更为具体地讲，涉及一种接触分离式半导体摩擦发电机。
背景技术
摩擦发电机原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。通常，当两种材料相互接触时，界面的某些部位形成了化学键，电荷在界面之间转移以平衡电化学势，从而产生摩擦电荷。在外力驱动下，摩擦带电的界面之间相互运动，导致TENGs中的电势差呈周期性变化。在短路条件下，交变电流流经负载，以达到两个电极之间的静电平衡。
在2015年01月07日授权公告的，授权公告号为102710166B、名称为“一种摩擦发电机”的中国发明专利中，公布了一种摩擦发电机，包括第一电极、第二电极和居间薄膜，第一电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；第二电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层，另一侧表面固定有居间薄膜，居间薄膜非固定面设有微纳凹凸结构；在第二电极上居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；第一高分子聚合物绝缘层的导电薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。该发明提供了一种利用摩擦作用获得能量的革新而有效的方法，依靠内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，它是一种简单、高效和低成本的方法。其中，居间薄膜微纳凹凸结构的作用为：(1)、具有微纳凹凸结构的薄膜的摩擦效应远远高于同等厚度的平板薄膜，一个均匀的粗糙表面具有较大的接触面积，能够在摩擦过程中产生更多的表面电荷；(2)具有微纳凹凸结构的薄膜在摩擦过程中其内电容的容量显著提高，这是由于空气空隙的存在和有效介电常数的增加。
在2016年12月28日授权公告的、授权公告号为CN104426416B、名称为“应用半导体复合材料的摩擦发电机”的中国发明专利中，公布了一种摩擦起电的发电机，通过周期的弯曲和释放来发电。该摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，和第二电极层，其中第一聚合物材料层所用材料是金属掺杂聚合物的半导体复合材料。该发明掺杂金属颗粒到绝缘聚合物中，降低聚合物的电阻率，使其体积电阻率介于金属体积电阻率和绝缘材料体积电阻率之间的水平。该发明摩擦发电机可以有效降低发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。
上述两件发明专利摩擦发电机都是横向滑动模式的摩擦发电机，通过柔性材料的弯曲与释放来发电。
对于接触分离式半导体摩擦发电机，利用P型半导体(金属)、N型半导体具有不同的费米能级来实现。当P型半导体(金属)与N型半导体接触时，电子从费米能级高的N型半导体流向费米能级低的P型半导体(金属)，直到二者具有统一的费米能级。如图1所示，电子的移动，使得原本不带电的P型半导体(金属)带负电，N型半导体带正电，接触的二者之间形成空间电荷区，整体对外不显示电性。此时，如再施加外力，将P型半导体(金属)与N型半导体分离，因为在分离过程中，P型半导体(金属)与N型半导体间形成反向偏置，漏电流较小，从而在二者完全分离后，P型半导体(金属)与N型半导体仍然带有一定量的电荷，并形成平板电容器。二者之间的电压也随着分离距离的增大和相对面积的减小而上升。此时如在P型半导体(金属)与N型半导体间连接上负载，P型半导体(金属)与N型半导体上剩余的电荷将流经负载后进行中和。再次将P型半导体(金属)与N型半导体接触后分离，并反复重复进行，这样就形成了半导体接触分离式摩擦发电(静电感应发电)
在P型半导体(金属)与N型半导体的接触面分离过程中，随着接触面的减小，会形成较高的反偏电压，进而增加漏电流，造成完全分离后所带电荷较小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种接触分离式半导体摩擦发电机，以减小反向漏电流，尽可能多地保留电荷在P型半导体(金属)与N型半导体即两侧极板上，从而提升能量收集的效能。
为实现上述发明目的，本发明接触分离式半导体摩擦发电机，包括：
一由P型半导体(金属)构成的一侧极板，以及由N型半导体构成的另一侧极板，两侧极板接触、分离运动；
其特征在于，还包括：
一绝缘层，覆盖在两侧极板的一侧极板的向对面(接触面)上，绝缘层上有一系列空隙；
未覆盖绝缘层的另一侧极板在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层空隙形成凸起，或未覆盖绝缘层的另一侧极板接触面在绝缘层空隙处设置有凸起，从而实现P型半导体(金属)极板与N型半导体极板的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区。
本发明的目的是这样实现的。
本发明接触分离式半导体摩擦发电机，在现有技术的基础上，增加了覆盖在一侧极板接触面上并有一系列空隙的绝缘层，而未覆盖绝缘层的另一侧极板在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层空隙形成凸起，或未覆盖绝缘层的另一侧极板接触面在绝缘层空隙处设置有凸起，从而实现P型半导体(金属)极板与N型半导体极板的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区。这样在两侧极板分离时，接触点(位置)先分开。绝缘层所在位置形成平板电容器，将两侧的电压升幅限制在较小区间，因此，分离过程中通过接触点的反向漏电流很小，分离后可以将尽可能多的电荷保留在两侧极板中，从而提升了能量收集的效能。
附图说明
图1是接触分离式半导体摩擦发电机的结构示意图，其中，(a)为P型半导体与N型半导体作为极板，(b)为金属与N型半导体作为极板；
图2是本发明接触分离式半导体摩擦发电机的结构示意图，其中，(a)接触状态，(b)分离状态；
图3是图2所示绝缘层的结构图；
图4是图2所示接触分离式半导体摩擦发电机的电调控原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图2是本接触分离式半导体摩擦发电机的结构示意图。
在本实施例中，如图2(a)、(b)所示，本发明接触分离式半导体摩擦发电机，包括：一由P型半导体(金属)构成的一侧极板1、由N型半导体构成的另一侧极板2以及绝缘层3。
绝缘层3覆盖在两侧极板1的一侧极板，在本实施例中，P型半导体(金属)构成的极板1的向对面(接触面)上，绝缘层3上有一系列空隙301。在本实施例中如图3所示，空隙301为圆孔形，按行列排列。
两侧极板1、2接触、分离运动。未覆盖绝缘层3的另一侧极板，在本实施例中，N型半导体极板2在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层3空隙处形成凸起201，或未覆盖绝缘层3的另一侧极板，在本实施例中，N型半导体极板2接触面在绝缘层3空隙处设置有凸起201，从而实现P型半导体(金属)极板1与N型半导体极板2的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区，如图2(a)所示。
在两侧极板1、2分离时，接触点(位置)即凸起201先分开。绝缘层3所在位置形成平板电容器，将两侧的电压升幅限制在较小区间，如图2(b)。因此，分离过程中通过接触点的反向漏电流很小，分离后可以将尽可能多的电荷保留在两侧极板1、2中，从而提升了能量收集的效能。
图4是图2所示接触分离式半导体摩擦发电机的电调控原理图。
在本实施例中，如图4所示，当P型半导体(金属)极板1与N型半导体极板2接触时，通过在P型半导体(金属)极板1上施加有负电压，N型半导体极板2上施加有正电压，使得两种材料极板1、2的接触点形成反偏电压上升，进而增加空间电荷区的宽度，最终达到两种材料极板1、2分离后，剩余电荷量增加的目的。在两种材料接触时施加的反偏电压越大，摩擦发电机的输出功率越大，改变反偏电压即可达到调节能量转化效率的目的。
需要说明的是，本发明中的P型半导体(金属)极板与N型半导体极板可以做等同性的替代。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种接触分离式半导体摩擦发电机，包括：
一由P型半导体或金属构成的一侧极板，以及由N型半导体构成的另一侧极板，两侧极板接触、分离运动；
其特征在于，还包括：
一绝缘层，覆盖在两侧极板的一侧极板的接触面上，绝缘层上有一系列空隙；
未覆盖绝缘层的另一侧极板在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层空隙形成凸起，或未覆盖绝缘层的另一侧极板接触面在绝缘层空隙处设置有凸起，从而实现P型半导体或金属极板与N型半导体极板的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区。
2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，在所述P型半导体或金属极板上施加有负电压，所述N型半导体极板上施加有正电压。
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