CN112152509A - 一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制备方法，是在封闭盒体内两侧分别设有半导体层1和半导体层2，两层半导体层之间注有极性液体，极性液体与半导体层1和半导体层2均接触且可在二者之间流动；两层半导体层上均设有背电极并通过导线引出盒体外。本发明利用不同半导体之间的费米能级差将极性液体极化，在半导体/极性液体界面感应出电子或空穴。极性液体在运动过程中，新的电子/空穴不断被感应，旧的电子/空穴被从外部导出形成直流电。该发电机具有各向同性、内阻小、功率大、寿命长的优势，多个串联使用可大幅提高输出电压。此外，该发电机结构简单、小巧坚固、成本较低，可大规模推广使用。

Description

一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发 电机及其制备方法

技术领域

本发明属于发电机技术领域，涉及一种直流发电机及其制造方 法，尤其涉及一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直 流发电机及其制造方法。

背景技术

如今，随着大众对个人健康管理的关注日益增加，许多传感器和芯片已被用于实时监测人体的健康状况。在这种情况下，用于运行这些生物传感器和芯片的可持续且可靠的自供电电源已成为迫切需求。除了太阳能、化学能和风能之外，利用水发电具有独特优势，长期以来科学研究也一直在水发电领域努力。将环境中水的机械能转换为电能输出，突破了环境的限制，可实现一种轻质化、微型化、电流密度高、可持续供应直流电的新型发电机。

过去的20年中，已经提出了许多具有新颖机制的水发电装置， 例如利用水蒸发发电，利用液滴滚动发电，利用电动效应发电等。但 是，几乎所有这些装置都不产生直流电，而是产生交流电，其中电的 输出方向与液体的移动方向高度相关。实际应用中，应对无序运动环 境下的连续直流发电却尤为重要。因此急需一种可以在低频、无序运 动下发电的高效水发电装置。

因此，本发明设计了一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极 管的直流发电机，可以将如水滴等极性溶液的机械能直接从液体/半导 体界面利用极化、去极化过程转换成直流电输出。本发明的器件利用 半导体层1与半导体层2之间的费米能级差将极性液体极化，在极性 液体运动过程中不断在半导体中感应出电子/空穴并释放到外电路，形 成电流输出。该发电机的发电方向与水等极性液体的运动方向无关， 只与半导体之间的费米能极差有关。此外，本发明的基于半导体/极性 液体/半导体动态二极管的直流发电机，其输出电压主要受液体移动速 度、极性溶液介电常数、半导体1与半导体2之间费米能级差影响， 通过改变液滴移动速度、更换不同介电常数的极性溶液、改变半导体 1与半导体2间的费米能级差，可以设计改变输出电压。以基于P型 硅/水/N型硅动态二极管的直流发电机为例，可实现～0.12V的电压直 流电输出。通过串联连接多台发电机，发电机的性能可进一步提高。 本发明器件的内阻在千欧级别，与负载电子电路的电阻相匹配，从而 减少了供电过程中的电量损耗。本发明所展示的基于半导体/极性液体 /半导体动态二极管发电机具有工艺简单、成本较低、可大规模集成、 坚固可重复利用等诸多优点，未来有希望应用在复杂无序运动环境下 的生物传感等诸多领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携、坚固且工艺简单的基于半导体 /极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机及其制备方法。

本发明的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发 电机，是在封闭盒体内两侧分别设有半导体层1和半导体层2，两层 半导体层之间注有极性液体，极性液体与上述两种半导体层均接触， 且可在两层半导体层之间流动。所述两种半导体层上均设有背电极， 并利用导线将背电极引出至盒体外，与外电路相连。所述的半导体层 1、半导体层2均选自硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、碲化镉、 氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、二碲化钼、二硒化钼、 二硫化钨，且半导体层1与半导体层2之间有费米能级差。

上述技术方案中，所述的封闭塑料盒体起支撑和封闭作用。

所述的极性液体为水、甲醇、乙醇或其他有极性的溶液。

所述的背电极为金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合 电极。

所述的导线起传导电流作用。

制备上述的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流 发电机的方法，包括如下步骤：

1)在半导体层1上用电子束蒸发镀膜方法沉积背电极；

2)将步骤1)所得的半导体层1及其背电极进行表面清洗并干燥；

3)将步骤2)所得的清洗过的半导体层1及其背电极固定在塑料 盒体的一侧壁上，并将背电极连接导线引出至盒体外；

4)用同样的方法将清洗过的半导体层2及其背电极固定在塑料 盒体的对侧壁上，并将背电极连接导线引出至盒体外；

5)在半导体层1与半导体层2之间注入极性液体，并封闭塑料 盒体。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发 电机具有独特的物理内涵，其利用半导体1与半导体2之间的费米能 级差将极性溶液极化，并在半导体/极性溶液接触界面感应出电子/空 穴，极性液体在运动过程中，新的电子/空穴不断被感应，脱离极性溶 液束缚的电子/空穴被从外部导走输出直流电。其发电方向与极性液体 的运动方向无关，只与半导体层之间的费米能级差有关，因此可以应 对无序、复杂运动环境。本发明的发电机，输出电压主要受液体移动 速度、极性液体的介电常数、半导体1与半导体2之间的费米能级差 影响，在速度一定的情况下，通过更换不同介电常数的极性液体，或者改变半导体1与半导体2之间的费米能级差，都可以设计改变输出 电压。并且通过串联，该发电机输出电压可大幅增大。本发明器件的 内阻在千欧级别，与那些基于半导体的信息电子设备的阻抗非常匹配， 可以节省大量能量损失并输出最大功率，提高了液体运动机械能的有 效利用。此外，这种具有高输出功率的动态发电机可以将水滴的动能 直接转换为直流电，无需外部整流电路与储能模块。本发明所展示的 具有新颖机制的发电机具有实现可重复、低成本、可集成、输出电压 可调控、转换效率高等优点。其可持续输出恒定方向的直流电，器件 结构和工艺流程简单、成本低，具有较高的耐用性，可大规模生产。

附图说明

图1为基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电 机的结构示意图；

图2为基于P型硅/水/N型硅动态二极管发电机的实物图；

图3为基于P型硅/水/N型硅动态二极管发电机的原理图；

图4为基于P型硅/水/N型硅动态二极管发电机的输出电压图。

图5为基于P型硅/水/N型硅动态二极管发电机的输出电流图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合 附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新 型直流发电机，自上而下依次有塑料层1、半导体层1、极性液体、半 导体层2、塑料层2，半导体1和半导体2上设有背电极，分别引出导线 1和导线2；极性液体可在半导体层1与半导体层2之间流动，且与半导 体层1及半导体层2均接触。塑料层1和塑料层2起到支撑作用，两塑料 层间四周采用塑料封闭，形成封闭的塑料盒体(图1中未画出)。

实施例1

1)在P-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层钛金电极，厚度 为50nm；

2)将1)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

3)将2)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒盖上；

4)在N-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层钛金电极，厚度 为50nm；

5)将4)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

6)将5)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒底部；

7)在样品盒中注入去离子水，并将样品盒盖封闭。

图2为基于P-硅/水/N-硅动态二极管发电机的实物图。该发电机的 原理图如图3所示，以基于P-硅/水/N-硅动态二极管发电机为例，水中 的水分子在接触硅衬底之后，杂乱排布的水分子因P-硅(E_F＝-5.12eV) 与N-硅(E_F＝-4.34eV)之间的费米能极差而被极化；带负电的氧原子 靠近P型半导体层并在P型硅层中感应出带正电的空穴，带正电的氢 原子靠近N型硅层并在N型硅层中感应出带负电的电子；水滴在向前 运动过程中，新的电子和空穴被不断感应，脱离水分子束缚的电子和 空穴被从外部电路导走，形成传导电流。图4为基于P型硅/水/N型硅 动态二极管发电机的输出电压图。图5为基于P型硅/水/N型硅动态二极管发电机的输出电流图。

实施例2

1)在N-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层铬金电极，厚度 为50nm；

2)将1)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

3)将2)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒盖上；

4)在N-砷化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层铬金电极， 厚度为50nm；

5)将4)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

6)将5)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒底部；

7)在样品盒中注入乙醇，并将样品盒盖封闭。

以基于N-硅/水/N-砷化镓动态二极管发电机为例，水中的水分子 在接触硅和砷化镓衬底之后，杂乱排布的水分子因N-硅(E_F＝-4.34eV) 与N-砷化镓(E_F＝-4.07eV)之间的费米能极差而被极化；带负电的氧 原子靠近N型硅并在N型硅层中感应出带正电的空穴，带正电的氢原 子靠近N型砷化镓并在N型砷化镓中感应出带负电的电子；水滴在向 前运动过程中，新的电子和空穴被不断感应，脱离水分子束缚的电子 和空穴被从外部电路导走，形成传导电流。与实施例1中的P型硅/水/N 型硅动态二极管发电机相比，使用N型半导体，其多数载流子类型为 电子，在半导体中电子的迁移率要高于空穴的迁移率，因此N-硅/水/N-砷化镓动态二极管发电机可以输出更高的电流，更进一步的，本实施 例制得基于N-硅/乙醇/N-砷化镓动态二极管发电机，因将极性液体将 水换为具有更低介电常数的乙醇，其可以输出更高的电流。

实施例3

1)在P-砷化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极， 厚度为50nm；

2)将1)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

3)将2)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒盖上；

4)在N-硅背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极，厚度 为50nm；

5)将4)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

6)将5)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒底部；

7)在样品盒中注入甲醇，将样品盒盖封上。

以基于P-砷化镓/甲醇/N-硅动态二极管发电机为例，甲醇在接触 半导体之后，杂乱排布的甲醇分子因P-砷化镓(E_F＝-5.49eV)与N-硅 (E_F＝-4.34eV)之间的费米能极差而被极化；带负电的OH^-靠近P型半 导体层并在P型砷化镓层中感应出带正电的空穴，带正电的CH₃ ⁺靠近 N型硅层并在N型硅层中感应出带负电的电子；甲醇在向前运动过程 中，新的电子和空穴被不断感应，脱离甲醇分子束缚的电子和空穴被 从外部电路导走，形成传导电流。与其他实施例比，不同半导体的使 用可以加大半导体之间的费米能级差，从而提升输出电压；同时，由 于使用的甲醇介电常数比水小，因此P-砷化镓/甲醇/N-硅动态二极管 发电机可以输出更高的电压。

实施例4

1)在P-氮化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极， 厚度为50nm；

2)将1)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

3)将2)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒盖上；

4)在N-氮化镓背面用电子束蒸发镀膜方法沉积一层镍金电极， 厚度为50nm；

5)将4)得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行 表面清洗处理；

6)将5)得到的样品在背电极引出导线并将背电极一侧固定在2 英寸样品盒底部；

7)在样品盒中注入乙醇溶液，将样品盒盖封上。

以基于P-氮化镓/乙醇/N-氮化镓动态二极管发电机为例，乙醇在 接触半导体之后，杂乱排布的乙醇分子因P-氮化镓(E_F＝-6.6eV)与 N-硅(E_F＝-3.3eV)之间的费米能极差而被极化；带负电的OH^-靠近P 型半导体层并在P型氮化镓层中感应出带正电的空穴，带正电的C₂H₅ ⁺靠近N型氮化镓层并在N型氮化镓层中感应出带负电的电子；乙醇在 向前运动过程中，新的电子和空穴被不断感应，脱离乙醇分子束缚的 电子和空穴被从外部电路导走，形成传导电流。与其他实施例比，宽 禁带半导体的使用可以加大半导体之间的费米能级差，从而提升输出 电压；同时，由于使用的乙醇介电常数小，因此P-氮化镓/乙醇/N-氮 化镓动态二极管发电机可以输出更高的电压。

此外，经大量实验研究，本发明中半导体层还可以选用铟镓砷、 氧化锌、锗、碲化镉、氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、 二碲化钼、二硒化钼、二硫化钨中的任一种，制得的样品均可产生直 流电输出，具体制备方法不再赘述，本领域技术人员根据本发明的技 术方案描述均可实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，是在封闭盒体内两侧分别设有半导体层1和半导体层2，两层半导体层之间注有极性液体，极性液体与两层半导体层均接触，且可在所述两层半导体层之间流动；两层半导体层上均设有背电极，分别通过导线引出至盒体外；所述的半导体层1、半导体层2均选自硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、碲化镉、氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、二碲化钼、二硒化钼、二硫化钨，且半导体层1与半导体层2之间具有费米能级差。

2.根据权利要求1所述的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的极性液体为水、甲醇、乙醇或其他有极性的溶液。

3.根据权利要求1所述的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机，其特征在于，所述的背电极为金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合电极。

4.制备如权利要求1-3任一项所述的基于半导体/极性液体/半导体动态二极管的新型直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在半导体层1上用电子束蒸发镀膜方法沉积背电极；

2)将步骤1)所得的半导体层1进行表面清洗并干燥；

3)将步骤2)所得的半导体层1及其背电极固定在塑料盒体的一侧壁上，并连接导线引出至盒体外；

4)用同样的方法将半导体层2及其背电极固定在塑料盒体的对侧壁上，并连接导线引出至盒体外；

5)在半导体层1与半导体层2之间注入极性液体，并封闭塑料盒体。

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