CN111786591B - 电荷穿梭纳米发电机及供能器件 - Google Patents

Abstract

一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件，电荷穿梭纳米发电机包括：主发电机、载流子约束结构以及载流子提供源。主发电机中的第一主发电机电极与载流子约束结构中的第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域。载流子提供源具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子。随着第一主发电机电极和第二主发电机电极之间的局部电容发生变化，使得正载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，负载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。电荷密度不再主要依赖于摩擦而产生、且不受空气击穿的约束，电荷密度大幅提升，输出功率得以增强。

Description

电荷穿梭纳米发电机及供能器件

技术领域

本公开属于纳米新能源及机械能收集技术领域，涉及一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件。

背景技术

摩擦纳米发电技术的基本原理是利用摩擦或接触在两个表面生成静电荷，其中发生摩擦或接触的两个表面至少一个为绝缘材料的表面，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，从而在感应电极中驱动自由电荷定向移动，实现对环境中机械能的收集，并将机械能转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。

表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的输出功率密度的重要因素。摩擦纳米发电机中的表面静电荷由两表面摩擦或接触产生，一般通过剧烈摩擦或接触才易于产生高的电荷密度，但这种情况下表面容易产生较大的发热和磨损，影响器件寿命，同时，电荷密度还受到空气击穿等约束，这些因素制约了表面电荷密度及输出功率密度的进一步提升，阻碍了摩擦纳米发电机技术的产业化进程。

因此，有必要提出一种具有高的输出功率密度的纳米发电机，且该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束，以促进摩擦纳米发电机的产业化进程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种电荷穿梭纳米发电机，包括：主发电机，包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极；载流子约束结构，包括间隔设置的第一载流子约束结构和第二载流子约束结构；其中，第一主发电机电极与第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域；以及载流子提供源，具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，载流子包括：电子或离子；其中，随着主发电机中第一主发电机电极和第二主发电机电极的局部电容发生变化，使得带有正电的载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，带有负电的载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。

根据本公开的一实施例，主发电机包括以下类型发电机的至少一种：接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机。上述主发电机除了包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极之外，还包括主发电机电介质层，该主发电机电介质层设置于所述第一主发电机电极和所述第二主发电机电极之间。主发电机电介质层的个数不作限制，可以是一个主发电机电介质层，与其中一个主发电机电极进行固定；也可以有两个主发电机电介质层分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极固定。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生接触-分离。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生接触-分离。

根据本公开的一实施例，滑动式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生相对平移滑动摩擦。

根据本公开的一实施例，滑动式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生相对平移滑动摩擦。

根据本公开的实施例，旋转式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，主发电机电介质层与第二主发电机电极之间能够发生相对旋转摩擦。

根据本公开的一实施例，旋转式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间能够发生相对旋转摩擦。

根据本公开的一实施例，自由摩擦层式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及自由摩擦层，自由摩擦层在第一主发电机电极和第二主发电机电极之间进行自由运动，从而分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极发生摩擦。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机还包括弹性连接层，对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于主发电机电介质层与第二主发电机电极之间，用于弹性连接主发电机电介质层与第二主发电机电极；或者，对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间，用于弹性连接第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层。

根据本公开的一实施例，载流子提供源为电源或者泵浦发电机单元。

根据本公开的一实施例，泵浦发电机单元包括：泵浦发电机，用于将机械能转化为电能输出；以及处理电路，处理电路包括：整流桥，与泵浦发电机的输出端连接，用于将交流电转化为直流电；以及稳压二极管，与整流桥的直流输出端连接，用于将直流电的输出电压稳定至预定范围，稳压二极管的两个输出端分别与正导电域和负导电域电学连接。

根据本公开的一实施例，泵浦发电机为以下类型发电机的至少一种：压电式纳米发电机、摩擦纳米发电机、电磁式发电机以及电磁摩擦复合式纳米发电机。

根据本公开的一实施例，电荷穿梭纳米发电机包括M个正导电域和M个负导电域，M≥2，M个正导电域并联连接至载流子提供源的一个输出端，M个负导电域并联连接至载流子提供源的另一个输出端。

根据本公开的一实施例，电荷穿梭纳米发电机用于向负载供电，负载包括第一负载和第二负载；其中，第一负载设置于第一主发电机电极与第一载流子约束结构之间；第二负载设置于第二主发电机电极与第二载流子约束结构之间。

根据本公开的一实施例，第一主发电机电极和第二主发电机电极为薄膜结构，薄膜的厚度为5纳米～50微米。

根据本公开的一实施例，主发电机电介质层的厚度为50纳米～100微米。

根据本公开的一实施例，第一主发电机电介质层和第二主发电机电介质层的厚度为50纳米～100微米。

根据本公开的一实施例，载流子提供源与正导电域和负导电域分别连接的两个输出端之间的电压保证主发电机不被击穿。

根据本公开的一实施例，载流子约束结构可以是电容器，第一载流子约束结构和第二载流子约束结构分别为电容器的两个极板。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的电荷穿梭纳米发电机及供能器件，具有以下有益效果：

提出一种基于新原理的电荷穿梭纳米发电机，该电荷穿梭纳米发电机基于准对称的导电域结构、电荷穿梭以及电荷泵浦的原理，基于准对称的正负导电域，一方面限制正负载流子的运动空间，另一方面在正负导电域中发生局部电容的变化会导致正载流子在正导电域中的来回穿梭运动，导致负载流子在负导电域中的来回穿梭运动，从而在每个导电域中产生电能，将电学输出提高至普通纳米发电机的二倍，同时还利用载流子提供源向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，实现正导电域和负导电域载流子的补充，使得电荷密度不再主要依赖于摩擦(接触)产生，也不再受到空气击穿的约束，而主要与主发电机的介电强度有关；准对称结构使得器件的电荷输出加倍。该器件的电荷密度得到了大幅的提升，输出功率得到了增强，将推动纳米发电机技术进一步向产业化迈进。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的结构示意图，其中(a)为基于电荷约束结构与载流子提供源的输出端连接的示例，(b)为基于主发电机电极与载流子提供源的输出端连接的示例。

图2为根据本公开一实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的示例性结构示意图。

图3为如图2所示的电荷穿梭纳米发电机中泵浦发电机单元的结构示意图。

图4为如图2所示的电荷穿梭纳米发电机中正、负导电域的结构示意图。

图5为根据本公开实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的一种示例性发电原理图，其中，(a)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在接触-分离过程中相互远离的状态；(b)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在接触-分离过程中相互靠近的状态。

图6为根据本公开实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的另一种示例性发电原理图，其中，(a)示意相互第一主发电机电极和第二主发电机电极在滑动摩擦过程中相互远离的状态；(b)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在滑动摩擦过程中相互靠近的状态。

图7为根据本公开一实施例所示的一个泵浦发电机单元为多个正、负导电域注入载流子的结构示意图。

图8为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机单元中泵浦发电机的结构示意图。

图9为如图8所示的泵浦发电机第一极板的结构示意图。

图10为如图8所示的泵浦发电机第二极板的结构示意图。

图11为根据本公开一实施例所示的正负导电域结构中主发电机的结构示意图。

图12为如图11所示的主发电机第一极板的结构示意图。

图13为如图11所示的主发电机第二极板的结构示意图。

图14和图15分别为根据本公开一实施例所示的主发电机和泵浦发电机的组装图和爆炸图。

【符号说明】

1-泵浦发电机；

11a-泵浦发电机第一极板；

111-第一泵浦发电机电极；

110-泵浦发电机电介质层；

113-第一基板；

11b-泵浦发电机第二极板；

112-第二泵浦发电机电极；

114-第二基板；

115-第一弹性连接层； 116-第二弹性连接层；

2-处理电路；

21-整流桥； 22-稳压二极管；

201-第一输出端； 202-第二输出端；

300a-正导电域； 300b-负导电域；

301-第一输入端；

302-第二输入端；

31-载流子约束结构；

311-第一载流子约束结构；

312-第二载流子约束结构；

32-主发电机；

32a-主发电机第一极板；

321-第一主发电机电极；

320-主发电机电介质层；

323-第三基板；

320a-第一主发电机电介质层； 320b-第二主发电机电介质层；

32b-主发电机第二极板；

322-第二主发电机电极；

324-第四基板；

325-第三弹性连接层； 326-第四弹性连接层；

401-第一负载； 402-第二负载。

具体实施方式

本公开实施例的电荷穿梭纳米发电机及供能器件，基于准对称的导电域结构、电荷穿梭以及电荷泵浦的新原理，电荷密度得到了大幅的提升，输出功率得到了增强，将推动纳米发电机技术进一步向产业化迈进。

根据本公开的实施例，电荷穿梭纳米发电机包括：主发电机，包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极；载流子约束结构，包括间隔设置的第一载流子约束结构和第二载流子约束结构。其中，第一主发电机电极与第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域；以及载流子提供源，具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，载流子包括：电子或离子；其中，随着主发电机中第一主发电机电极和第二主发电机电极之间的电容发生变化，使得正载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，负载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。

上述主发电机可以是接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机中的至少一种类型。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开的第一个示例性实施例提供了一种电荷穿梭纳米发电机。

图1为根据本公开一实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的结构示意图，其中(a)为基于电荷约束结构与载流子提供源的输出端连接的示例，(b)为基于主发电机电极与载流子提供源的输出端连接的示例。图2为根据本公开一实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的示例性结构示意图。图3为如图2所示的电荷穿梭纳米发电机中泵浦发电机单元的结构示意图。图4为如图2所示的电荷穿梭纳米发电机中正、负导电域的结构示意图。

参照图1-图4所示，本公开实施例的电荷穿梭纳米发电机，包括：主发电机32、载流子约束结构31以及载流子提供源。

主发电机32包括间隔设置的第一主发电机电极321和第二主发电机电极322。

载流子约束结构31包括间隔设置的第一载流子约束结构311和第二载流子约束结构312。

参照图1中(a)和(b)所示，第一主发电机电极321与第一载流子约束结构311电学连接，构成正导电域300a。第二主发电机电极322与第二载流子约束结构312电学连接，构成负导电域300b，正导电域300a和负导电域300b以虚线框示意。

载流子提供源，具有两个输出端，用于向正导电域300a和负导电域300b分别注入对应电性的载流子。上述载流子包括：电子或离子。

在本公开的实施例中，载流子提供源为电源或者泵浦发电机单元。电源或者泵浦发电机单元的两个输出端分别与正、负导电域电学连接，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子。

在本公开的实施例中，载流子提供源的输出端可以与正导电域300a的第一载流子约束结构311连接，也可以与正导电域300a的第一主发电机电极321连接，对应的，载流子提供源的另一个输出端可以与负导电域300b的第二载流子约束结构312连接，也可以与负导电域300b的第二主发电机电极322连接。图1中(a)示例了载流子提供源的两个输出端与导电域(包括正导电域和负导电域)的两个载流子约束结构(包括第一载流子约束结构和第二载流子约束结构)连接的情形，图1中(b)示例了载流子提供源的两个输出端与主发电机电极(包括第一主发电机电极和第二主发电机电极)连接的情形。

根据本公开的一实施例，参照图2所示，泵浦发电机单元包括：泵浦发电机1和处理电路2。

泵浦发电机1用于将机械能转化为电能输出。处理电路2用于将泵浦发电机的输出的电能进行整流和稳压处理。处理电路2包括：整流桥21和稳压二极管22。整流桥21与泵浦发电机1的输出端连接，用于将交流电转化为直流电。稳压二极管22，与整流桥21的直流输出端连接，用于将直流电的输出电压稳定至预定范围。稳压二极管22的两个输出端分别与正导电域300a和负导电域300b电学连接。根据本公开的实施例，正导电域和负导电域为1组导电域，可以有1组或者2组以上的导电域，泵浦发电机的个数可以是一个，处理电路的个数与导电域的组数对应。在具有2组以上的导电域的情况下，可以基于同一个泵浦发电机对多组导电域进行载流子提供，例如，对应同一个泵浦发电机，有M组导电域，M≥2，经过M个并联的处理电路将泵浦发电机的输出经过整流和稳压处理后进一步输入至与每个处理电路对应的导电域中。当M组导电域中的主发电机为同步运动时，M个并联的处理电路可以简化成1个，M个载流子约束结构也可简化成1个。上述描述中，“2组以上”的含义为：包括2组以及大于2组。

根据本公开的一实施例，载流子提供源与正导电域和负导电域分别连接的两个输出端之间的电压保证主发电机不被击穿。在处理电路2包括整流桥21和稳压二极管22的情况下，稳压二极管22将直流电的输出电压稳定至预定范围，该预定范围保证主发电机不被击穿。

根据本公开的一实施例，泵浦发电机包括但不限于以下类型发电机的至少一种：压电式纳米发电机、摩擦纳米发电机、电磁式纳米发电机以及电磁摩擦复合式纳米发电机。泵浦发电机只要具有发电输出功能即可。

参照图2和图3所示，泵浦发电机单元的两个输出端分别为第一输出端201和第二输出端202。正导电域300a的输入端为第三输入端301，，负导电域300b的输入端为第四输入端302。泵浦发电机单元的两个输出端分别与正、负导电域电学连接，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，对应参照图3中示意的第一输出端201与第三输入端301连接，第二输出端202与第四输入端302连接。

本实施例中，电荷穿梭纳米发电机用于向负载供电。参照图4所示，负载包括第一负载401和第二负载402。第一负载401设置于第一主发电机电极321与第一载流子约束结构311之间。第二负载402设置于第二主发电机电极322与第二载流子约束结构312之间。

在一示例性实施例中，载流子约束结构31可以是电容器。当前，本公开的载流子约束结构31不局限于上述示例，任何可以起到限制电子或离子运动的导体结构均在本公开的保护范围之内。

主发电机可以是接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机中的至少一种类型。

根据本公开的实施例，主发电机除了包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极之外，还包括主发电机电介质层，该主发电机电介质层设置于所述第一主发电机电极和所述第二主发电机电极之间。主发电机电介质层的个数不作限制，可以是一个主发电机电介质层，与其中一个主发电机电极进行固定；也可以有两个主发电机电介质层分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极固定。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生接触-分离。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生接触-分离。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机还包括弹性连接层，对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于主发电机电介质层与第二主发电机电极之间，用于弹性连接主发电机电介质层与第二主发电机电极；或者，对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间，用于弹性连接第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层。

在图2～图4所示的示例中，以接触-分离式纳米发电机的结构来示例性描述泵浦发电机1和主发电机32。

参照图2和图3所示，泵浦发电机1为接触-分离式摩擦纳米发电机，本实施例的泵浦发电机1包括：第一泵浦发电机电极111、第二泵浦发电机电极112以及泵浦发电机电介质层110。泵浦发电机电介质层110与第一泵浦发电机电极111固定。泵浦发电机电介质层110与第二泵浦发电机电极112相对设置，且能够发生接触-分离。

参照图2和图4所示，主发电机32为接触-分离式纳米发电机，本实施例的主发电机32包括：第一主发电机电极321、第二主发电机电极322以及主发电机电介质层320。主发电机电介质层320与第一主发电机电极321固定。主发电机电介质层320与第二主发电机电极322相对设置，且能够发生接触-分离。

泵浦发电机1和主发电机32可以通过相互固定的方式形成电荷穿梭纳米发电机这一整体的器件，例如可以参照图14所示，后面会进行详细介绍，这里不作详述。处理电路2和载流子约束结构31可以集成于泵浦发电机1或主发电机32上。

本公开的电荷穿梭纳米发电机是基于新原理的纳米发电机，该电荷穿梭纳米发电机基于准对称的导电域结构、电荷穿梭以及电荷泵浦的原理，基于准对称的正负导电域，一方面限制正负载流子的运动空间，另一方面在正负导电域中发生局部电容的变化会导致正载流子在正导电域中的来回穿梭运动，导致负载流子在负导电域中的来回穿梭运动，从而在每个导电域中产生电能。基于载流子提供源向正导电域300a和负导电域300b分别注入对应电性的载流子，本实施例中以第一主发电机电极与第二主发电机电极对应的局部电容的变化来示例正负导电域中局部电容的变化，随着主发电机32中第一主发电机电极321和第二主发电机电极322的局部电容发生变化，使得带有正电的载流子(后面简称为正载流子)被约束在正导电域中来回穿梭运动，带有负电的载流子(后面简称为负载流子)被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能，从而对负载401和负载402实现供电。

本公开的主发电机可以是接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机中的至少一种类型，不同类型的主发电机均可以使得第一主发电机电极321和第二主发电机电极322的局部电容发生变化，从而促使载流子在对应电性的导电域中进行来回穿梭运动。本公开中主发电机作为正负导电域的组成部分，对应的发电原理在前面已经详细描述，与现有的摩擦纳米发电机的发电原理是完全不同的。

下面参照图5和图6来示例性描述主发电机为接触-分离式纳米发电机或滑动式纳米发电机时对应的电荷穿梭纳米发电机的发电原理，其他类型的主发电机对应的发电原理可以参照前面两种类型的介绍，区别在于促使第一主发电机电极321和第二主发电机电极322之间的局部电容发生变化的过程不同而已。

图5为根据本公开实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的一种示例性发电原理图，其中，(a)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在接触-分离过程中相互远离的状态；(b)示意第一主发电机电极和第二主发电机在接触-分离过程中相互靠近的状态。图5中(a)和(b)采用虚线示意正导电域和负导电域之间的界限。

本实施例中以主发电机32为接触-分离式纳米发电机进行介绍，本实施例中两个主发电机电极之间设置有主发电机电介质层，这里并未示意，假设对应电性的载流子已经注入到正导电域300a和负导电域300b内，随着两个主发电机电极之间的距离发生变化，接触时，两个主发电机电极之间的主发电机电介质层可以避免两个电极之间的短路。参照图5中(a)所示，主发电机32中的第一主发电机电极321和第二主发电机电极322发生相互远离，远离的方向参照图5中(a)的箭头所示，随着第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互分离(或称远离)，局部电容减小，引起第一主发电机电极321上存储的正载流子经过电路流向第一载流子约束结构311，第二主发电机电极322上存储的负载流子经过电路流向第二载流子约束结构312，并同时在负载401和负载402上产生输出。参照图5中(b)所示，在主发电机32中的第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互靠近时，靠近的方向参照图5中(b)的箭头所示，随着第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互靠近，局部电容增大，使得正载流子从第一载流子约束结构311流回第一主发电机电极321，使得负载流子从第二载流子约束结构312流回第二主发电机电极322，并同时在负载401和负载402上产生输出。随着主发电机32的接触-分离运动的反复进行，正、负两种载流子在准对称的正、负导电域内进行往返穿梭运动。

图6为根据本公开实施例所示的电荷穿梭纳米发电机的另一种示例性发电原理图，其中，(a)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在滑动摩擦过程中相互远离的状态；(b)示意第一主发电机电极和第二主发电机电极在滑动摩擦过程中相互靠近的状态。图6中(a)和(b)采用虚线示意正导电域和负导电域之间的界限。

根据本公开的一实施例，参照图6中(a)和(b)所示，主发电机32为滑动式纳米发电机。该实施例的主发电机32包括：第一主发电机电极321、第二主发电机电极322、第一主发电机电介质层320a以及第二主发电机电介质层320b。第一主发电机电介质层320a与第一主发电机电极321固定。第二主发电机电介质层320b与第二主发电机电极322固定。第一主发电机电介质层320a与第二主发电机电介质层320b之间能够发生相对平移滑动摩擦。

本实施例中以主发电机32为滑动式纳米发电机进行介绍，假设对应电性的载流子已经注入到正导电域300a和负导电域300b内，随着第一主发电机电介质层320a与第二主发电机电介质层320b发生相对平移滑动摩擦的过程，参照图6中(a)所示，主发电机32中的第一主发电机电极321和第二主发电机电极322发生相互远离，远离的方向参照图6中(a)的箭头所示。随着第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互远离，第一主发电机电极321和第二主发电机电极322的重合面积减少，局部电容减小，引起第一主发电机电极321上存储的正载流子经过电路流向第一载流子约束结构311，第二主发电机电极322上存储的负载流子经过电路流向第二载流子约束结构312，并同时在负载401和负载402上产生输出。参照图6中(b)所示，在主发电机32中的第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互靠近时，靠近的方向参照图6中(b)的箭头所示。随着第一主发电机电极321和第二主发电机电极322相互靠近，第一主发电机电极321和第二主发电机电极322的重合面积增加，局部电容增大，使得正载流子从第一载流子约束结构311流回第一主发电机电极321，使得负载流子从第二载流子约束结构312流回第二主发电机电极322，并同时在负载401和负载402上产生输出。随着主发电机32两个电介质层的相对平移滑动摩擦的反复进行，正、负两种载流子在准对称的正、负导电域内进行往返穿梭运动。

根据本公开的一实施例，滑动式纳米发电机可以包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生相对平移滑动摩擦。

根据本公开的一实施例，滑动式纳米发电机或者可以包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生相对平移滑动摩擦。

其他发电类型或者其他结构的主发电机的发电原理可以参照上面两种示例，仅需要变化促使第一主发电机电极321和第二主发电机电极322的局部电容发生变化的过程即可。例如主发电机32为旋转式纳米发电机(未示意)时，该旋转式纳米发电机相较于滑动式纳米发电机而言，仅变化了两个电介质层(对于包括两个电介质层的结构而言是两个电介质层，对于包括一个电介质层的结构而言，是电介质层和电极层)之间的滑动形式，由平移滑动变化为旋转运动。根据本公开的实施例，旋转式纳米发电机可以包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，主发电机电介质层与第二主发电机电极之间能够发生相对旋转摩擦。在旋转摩擦过程中，第一主发电机电极和第二主发电机电极之间的重合面积会发生变化，可以参照前述滑动式纳米发电机对应实现正、负两种载流子在准对称的正、负导电域内进行往返穿梭运动的原理。

根据本公开的一实施例，旋转式纳米发电机也可以包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间能够发生相对旋转摩擦。

根据本公开的实施例，自由摩擦层式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及自由摩擦层，自由摩擦层在第一主发电机电极和第二主发电机电极之间进行自由运动，从而分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极发生摩擦。在自由摩擦层靠近第一主发电机电极或第二主发电机电极的过程中，在第一主发电机电极和第二主发电机电极之间会产生局部电容的变化，从而导致正、负两种载流子在准对称的正、负导电域内进行往返穿梭运动。

本实施例中，基于主发电机的两个电极和载流子约束结构中的第一载流子约束结构和第二载流子约束结构分别形成两个电性相反的导电域，第一主发电机电极与第一载流子约束结构电学连接，形成正导电域，第二主发电机电极和第二载流子约束结构电学连接，形成负导电域。当主发电机由于接触-分离、相对平移滑动、相对旋转滑动或者自由摩擦层在两个电极之间摩擦等方式使得第一主发电机电极和第二主发电机电极的局部电容发生变化，会导致不同电性的载流子在对应电性的导电域中的来回穿梭运动，其中正载流子被限制在正导电域进行来回穿梭运动，负载流子被限制在负导电域进行来回穿梭运动，从而在正导电域和负导电域中均产生电能，将电学输出提高至普通纳米发电机的二倍；同时基于载流子提供源向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，实现正导电域和负导电域载流子的补充，使得器件的电荷密度得到了大幅的提升，输出功率得到了增强。

本公开的电荷穿梭纳米发电机可以在上述公开的示例性实施例的基础上进行拓展，不限制各个部件的个数以及部件的组成形式。例如，导电域的形成方式不限于采用电容的极板和主发电机的电极构成，只要是电子或离子导体，能够在域内约束电荷，且能够局部产生电容的变化的结构都在本公开的保护范围之内。此外，相互作用的导电域不局限于两个，也可以为多个(大于2个)。

图7为根据本公开一实施例所示的一个泵浦发电机单元为多个正、负导电域注入载流子的结构示意图。

根据本公开的一实施例，电荷穿梭纳米发电机包括M个正导电域和M个负导电域，M≥2。M个正导电域的输入端(输入端可以是如图1中(a)示例的载流子约束结构，也可以是如图1中(b)示例的主发电机电极)分别连接至M个处理电路的第一输出端201，M个处理电路的第一输入端并联连接至载流子提供源的一个输出端，M个负导电域的输入端分别连接至M个处理电路的第二输出端202，M个处理电路的第二输入端并联连接至载流子提供源的另一个输出端，可以参照图7所示。当M组导电域中的主发电机为同步运动时，M个并联的处理电路可以简化成1个，M个载流子约束结构也可简化成1个。

下面以一具体实例来介绍主发电机和泵浦发电机的结构以及主发电机和泵浦发电机组装为整体器件的结构。

图8为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机单元中泵浦发电机的结构示意图。图9为如图8所示的泵浦发电机第一极板的结构示意图。图10为如图8所示的泵浦发电机第二极板的结构示意图。

在一实例中，泵浦发电机1为接触-分离式纳米发电机。参照图8所示，该泵浦发电机1包括：泵浦发电机第一极板11a、泵浦发电机第二极板11b、第一弹性连接层115和第二弹性连接层116。泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b相对设置，第一弹性连接层115和第二弹性连接层116设置于泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b的两端之间，用于弹性和连接泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b，使得泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b能够发生接触-分离。

参照图9所示，泵浦发电机第一极板11a包括：第一基板113，设置于第一基板113上的第一泵浦发电机电极111，以及设置于第一泵浦发电机电极111上的泵浦发电机电介质层110。本公开的实施例中，泵浦发电机电介质层的长度和宽度均对应大于第一泵浦发电机电极的长度和宽度，使得泵浦发电机电介质层完全可以遮挡第一泵浦发电机电极，图9示意的是从泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b相对的一侧观察泵浦发电机第一极板11a的视角，因此以虚线示意被泵浦发电机电介质110遮挡的第一泵浦发电机电极111。

参照图10所示，泵浦发电机第二极板11b包括：第二基板114，以及设置于第二基板114上的第二泵浦发电机电极112。泵浦发电机第一极板11a与泵浦发电机第二极板11b相对设置，在第一泵浦发电机电极111与第二泵浦发电机电极112之间设置有泵浦发电机电介质层110，该泵浦发电机电介质层110与第二泵浦发电机电极112发生接触-分离。

图11为根据本公开一实施例所示的正负导电域结构中主发电机的结构示意图。图12为如图11所示的主发电机第一极板的结构示意图。图13为如图11所示的主发电机第二极板的结构示意图。

在一实例中，主发电机32为接触-分离式纳米发电机。参照图11所示，该主发电机32包括：主发电机第一极板32a、主发电机第二极板32b、第三弹性连接层325和第四弹性连接层326。主发电机第一极板32a与主发电机第二极板32b相对设置，第三弹性连接层325和第四弹性连接层326设置于主发电机第一极板32a与主发电机第二极板32b的两端之间，用于弹性和连接主发电机第一极板32a与主发电机第二极板32b，使得主发电机第一极板32a与主发电机第二极板32b能够发生接触-分离。

参照图12所示，主发电机第一极板32a包括：第三基板323，设置于第三基板323上的第一主发电机电极321，以及设置于第一主发电机电极321上的主发电机电介质层320。本公开的实施例中，主发电机电介质层的长度和宽度均对应大于第一主发电机电极的长度和宽度，使得主发电机电介质层完全可以遮挡第一主发电机电极，图12示意的是从主发电机第一极板32a与主发电机第二极板32b相对的一侧观察主发电机第一极板32a的视角，因此以虚线示意被主发电机电介质层320遮挡的第一主发电机电极321。

参照图13所示，主发电机第二极板32b包括：第四基板324，设置于第四基板324上的第二主发电机电极322。主发电机第一极板32a和主发电机第二极板32b相对设置，在第一主发电机电极321和第二主发电机电极322之间设置有主发电机电介质层320，主发电机电介质层320和第二主发电机电极322发生接触-分离。

图14和图15分别为根据本公开一实施例所示的主发电机和泵浦发电机的组装图和爆炸图。

结合图14和图15所示，可以将主发电机和泵浦发电机按照上下层叠的方式进行固定，例如将主发电机第一极板32a与泵浦发电机第二极板11b进行固定，然后将处理电路2和载流子约束结构31集成于泵浦发电机1或主发电机32上，从而得到电荷穿梭纳米发电机。

在一实施例中，第一泵浦发电机电极111、第二泵浦发电机电极112、第一主发电机电极321以及第二主发电机电极322为薄膜结构，上述薄膜的厚度优选为5纳米～50微米，包含端点值。上述各个电极的材料可以是金属、碳材料或ITO等导电材料，也可以为导通离子的材料。

上述第一基板113、第二基板114、第三基板323和第四基板324均为板状结构，主要用于支持其上的薄膜结构，可以由各种结构材料组成，优选为聚合物、无机氧化物、复合材料等绝缘材料。泵浦发电机电介质层110和主发电机电介质层320为薄膜结构，可为聚合物、无机氧化物、复合材料等绝缘材料。主发电机电介质层320的厚度为50纳米～100微米，包含端点值。第一主发电机电介质层320a和第二主发电机电介质层320b的厚度为50纳米～100微米，包含端点值。

本公开的第二个示例性实施例还提供了一种供能器件，该供能器件包括上述提及的任一种电荷穿梭纳米发电机。该供能器件的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触产生，也不再受到空气击穿的约束，电荷密度得到了大幅的提升，输出功率得到了增强。

综上所述，本公开提出一种基于新原理的电荷穿梭纳米发电机及供能器件，该电荷穿梭纳米发电机基于准对称的导电域结构、电荷穿梭以及电荷泵浦的原理，基于准对称的正负导电域，一方面限制正负载流子的运动空间，另一方面在正负导电域中发生局部电容的变化会导致正载流子在正导电域中的来回穿梭运动，导致负载流子在负导电域中的来回穿梭运动，从而在每个导电域中产生电能，将电学输出提高至普通纳米发电机的二倍，同时还利用载流子提供源向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，实现正导电域和负导电域载流子的补充，使得电荷密度不再主要依赖于摩擦(接触)产生，也不再受到空气击穿的约束，而主要与主发电机的介电强度有关；准对称结构使得器件的电荷输出加倍。该器件的电荷密度得到了大幅的提升，输出功率得到了增强，将推动纳米发电机技术进一步向产业化迈进。

需要说明的是，虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，包括：

主发电机，包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极；

载流子约束结构，包括间隔设置的第一载流子约束结构和第二载流子约束结构；其中，第一主发电机电极与第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域；以及

载流子提供源，具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，载流子包括：电子或离子；

其中，随着主发电机中第一主发电机电极和第二主发电机电极之间的电容发生变化，使得带有正电的载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，带有负电的载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。

2.根据权利要求1所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，所述主发电机还包括主发电机电介质层，该主发电机电介质层设置于第一主发电机电极和第二主发电机电极之间；

可选的，所述主发电机包括以下类型发电机的至少一种：

接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机。

3.根据权利要求2所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，

所述接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生接触-分离；或者，

所述接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生接触-分离；

可选的，所述滑动式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生相对平移滑动摩擦；或者，

所述滑动式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生相对平移滑动摩擦；

可选的，所述旋转式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，主发电机电介质层与第二主发电机电极之间能够发生相对旋转摩擦；或者，

所述旋转式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间能够发生相对旋转摩擦；

可选的，所述自由摩擦层式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及自由摩擦层，自由摩擦层在第一主发电机电极和第二主发电机电极之间进行自由运动，从而分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极发生摩擦。

4.根据权利要求3所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，所述接触-分离式纳米发电机还包括弹性连接层；

对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于主发电机电介质层与第二主发电机电极之间，用于弹性连接主发电机电介质层与第二主发电机电极；或者，

对于包括第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层的接触-分离式纳米发电机，所述弹性连接层设置于第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层之间，用于弹性连接第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，载流子提供源为电源或者泵浦发电机单元。

6.根据权利要求5的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，泵浦发电机单元包括：

泵浦发电机，用于将机械能转化为电能输出；以及

处理电路，处理电路包括：整流桥，与泵浦发电机的输出端连接，用于将交流电转化为直流电；以及稳压二极管，与整流桥的直流输出端连接，用于将直流电的输出电压稳定至预定范围，稳压二极管的两个输出端分别与正导电域和负导电域电学连接；

可选的，泵浦发电机为以下类型发电机的至少一种：压电式纳米发电机、摩擦纳米发电机、电磁式发电机以及电磁摩擦复合式纳米发电机。

7.根据权利要求1所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，所述电荷穿梭纳米发电机包括M个正导电域和M个负导电域，M≥2，M个正导电域并联连接至载流子提供源的一个输出端，M个负导电域并联连接至载流子提供源的另一个输出端。

8.根据权利要求1所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，电荷穿梭纳米发电机用于向负载供电，负载包括第一负载和第二负载；

其中，第一负载设置于第一主发电机电极与第一载流子约束结构之间；第二负载设置于第二主发电机电极与第二载流子约束结构之间。

9.根据权利要求8所述的电荷穿梭纳米发电机，其特征在于，

第一主发电机电极和第二主发电机电极为薄膜结构，薄膜的厚度为5纳米～50微米；和/或，

主发电机电介质层的厚度为50纳米～100微米；和/或，

第一主发电机电介质层和第二主发电机电介质层的厚度为50纳米～100微米；和/或，

载流子提供源与正导电域和负导电域分别连接的两个输出端之间的电压保证主发电机不被击穿。

10.一种供能器件，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的电荷穿梭纳米发电机。

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