CN113310573A - 基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体‑极性液体界面的光动传感及能量转换装置及方法,属于光电传感和能量转换领域。装置包括传感组件,所述传感组件包括极性液体材料、半导体材料,以及设置于所述半导体材料两端的电极;所述半导体材料与极性液体材料接触形成固‑液界面;移动光斑;或改变光斑的强度;或使静止或移动的光斑作开启、关闭切换;或采用物体遮挡部分固‑液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固‑液界面产生相对移动;可以使半导体两端电极间产生电压。通过本发明的装置,可以实现光电能量转换以及半导体表面光照区域边界运动速度、方向以及光照强度的传感。
Description
技术领域
本发明属于光电传感和能量转换领域,更具体地说,涉及一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置及方法。
背景技术
近年来,随着化石燃料的持续减少以及传统能源对环境的巨大污染,绿色新型器件的研究和应用得到了巨大的发展,其中光电传感器因能实现能量的收集和转换成为人们研究的重要对象之一。
光电传感器是基于光电效应将光信号转换为电信号的一种器件。光电传感器通常由三部分组成,分为:发射器,接收器和检测电路。传统的光电传感器的应用工作范围受限,使用过程中需要封装,不在密封环境下使用就很容易被污染失效,无法直接在液体环境中工作。因此如何扩大其应用范围成为光电传感器领域值得关注的重要问题。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有光电传感器无法在液体环境中工作的问题,本发明提供一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置及方法,在半导体材料与极性液体材料接触形成的固-液界面上,通过改变光源的强度等条件变化,能够使光电传感器产生电压信号,实现了光电传感器在液体中工作的目的。
2.技术方案
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,包括传感组件,所述传感组件包括极性液体材料、半导体材料,以及设置在所述半导体材料两端的电极;所述半导体材料与极性液体材料接触形成固-液界面。
采用光源照射在上述装置的固-液界面上,并且采用包括以下条件之一或其任意组合进行处理:
移动光斑;
或改变光斑的强度;
或使静止或移动的光斑作开启、关闭(on/off)切换;
或采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动;
以使半导体两端电极间产生电压。
优选地,所述极性液体材料选自无机极性分子液体、有机极性分子液体或含离子的液体中的一种或几种极性液体,如可以为水。
优选地,所述极性液体材料,还包括由极性液体与固体框架材料组合形成的材料。
优选地,所述极性液体材料为水凝胶。
优选地,所述半导体材料包括带隙小于6电子伏特的有机半导体材料或无机半导体材料,且掺杂浓度不限。
优选地,所述半导体材料为单晶或多晶材料,或半导体与其他材料混合形成的材料。
优选地,所述半导体材料选自硅、锗、砷化镓、聚乙炔、二硫化钼、黑磷中的一种或几种。
一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换方法,包括如下步骤:采用光源照射在如前所述装置的固-液界面上,并且将其采用包括以下条件之一或其组合进行处理:
移动光斑;
或改变光斑的强度;
或使静止或移动的光斑作开启、关闭(on/off)切换;
或采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动;
以使半导体两端电极间产生电压。优选地,移动光斑的同时改变光斑的强度,使半导体两端电极间产生电压。例如可以是,移动光斑的同时增大光斑的强度,得到增大的电压。
优选地,所述光源可以为环境光或人造光,所述人造光包括任意波长的单色光或其组合。
3.有益效果
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明所提供的光动传感及能量转换装置,利用光斑在半导体与极性液体界面上的移动,或光斑的强度的改变,或使静止或移动的光斑作开启、关闭切换,或采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动,或其组合,能够产生电压,实现能量转换和光照区域边界运动速度、方向以及光照强度的传感;
(2)本发明所提供的光动传感及能量转换装置,在光斑移动的同时,可以通过增大光源的光强来获得更高的电压信号;
(3)本发明所提供的光动传感及能量转换装置结构简单,可以在极性液体环境中工作。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明实施例1中实际测得的电压/速度~时间曲线。
图3为本发明实施例2中实际测得的电压~速度曲线。
图4为本发明实施例3中实际测得的峰值电压~脉冲光斑位置曲线。
图5为本发明实施例4中实际测得的电压~光强曲线。
图6为本发明实施例5中随着西瓜虫的爬行,从上到下的硅阵列两端产生相应的电压信号。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构;
其中:1、极性液体;2、半导体;3、光源;4、电极。
具体实施方式
需要说明的是,当元件被称为“安装”/“设置”于另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以两元件直接为一体;当一个元件被称为“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能两元件直接为一体。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”、“两端”等用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同;本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如本文所使用,术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
设置在半导体“两端”的电极,其中的“两端”还包括在半导体上的任意两个位置设置电极的情形。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
图1是半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置的结构示意图,该光动传感及能量转换装置包括传感组件;
其中,传感组件包括半导体材料2、极性液体材料1和设置在半导体两端的电极4。光源3可以是太阳光或任意波长单色光的组合;极性液体材料1可以是纯水、无机极性溶液、有机极性溶剂,或极性液体与其他材料的混合体,比如水凝胶。
两端带有电极4的半导体材料2浸没在极性液体材料1中,光源3形成的光斑在半导体材料2上运动,两个电极4之间能够检测到电压。
本实施例中采用去离子水极性液体和p型硅半导体材料形成固-液界面。对本实施例提供的半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置进行测试,如图2考察了光斑周期性正反向运动时导致的电压/速度~时间曲线,根据图2,在光强强度为100mW/cm2时,虚线是直径为0.5cm的光斑移动的速度,实线是装置产生的电压信号,当光斑移动速度保持在0.5cm/s时,产生的电压约为2.5mV,可知在半导体-极性液体材料界面,随着照射光斑移动,可以产生电信号。
实施例2
本实施例采用p型硅半导体材料和水凝胶极性材料溶液形成固-液界面,如图3考察了光斑(直径为0.5cm)移动速度与电压信号的关系,在光强强度为100mW/cm2时,控制光斑的移动速度从0.1cm/s逐渐增大到2.0cm/s。根据图3,方块是选取的不同速度下的电压信号,可知在半导体-极性液体材料界面,随着照射光斑移动速度的增大,产生的电信号也随之增大。
实施例3
本实施例采用p型硅半导体材料,去离子水极性溶液形成固-液界面,如图4考察了脉冲光斑照射位置与峰值电压信号的关系,光斑的直径为0.5cm,p型硅半导体材料长度为8cm,电极设置在p型硅半导体材料两端(距离8cm),横坐标为:以p型半导体两电极连线中心点位置记为0,在该连线上,光斑位置距离该中心点位置的距离作为横坐标,光斑强度为100mW/cm2,在不同位置开启/关闭光源,产生的电压信号峰值作为纵坐标;其中内插图是在有箭头标记的位置对光束(光源)开关的典型电压响应。可知在半导体-极性液体材料界面,光斑在远离中心位置时,开启/关闭光源瞬间产生的电压峰值信号随之增大,即可以实现光斑由中心向边缘运动方向的传感。
实施例4
本实施例采用p型硅半导体材料,去离子水极性溶液形成固-液界面,如图5考察了光斑强度及移动速度与电压信号的关系,光斑的移动速度为0.5cm/s。控制光斑强度从5mW/cm2逐渐增大为100mW/cm2,根据图5,方块是选取的不同光斑强度下的电压信号,可知在半导体-极性液体材料界面,光斑在移动时随着光强强度的增大,产生的电信号也随之增大。
实施例5
本实施例采用p型硅半导体材料和水凝胶极性液体材料形成固-液界面,如图6考察了使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动时,产生的电压信号,采用光斑强度为100mW/cm2。根据图6,使整个硅阵列均暴露于光照下,采用西瓜虫对部分光斑形成遮挡产生阴影,西瓜虫在硅阵列\水凝胶界面上爬行,随着西瓜虫的爬行,从上到下的硅阵列两端产生相应的电压信号。根据电压信号随时间的变化,可以判断出西瓜虫的爬行路径及位置。
在一些实施例中,极性液体材料采用无机极性分子液体如水,或采用有机极性分子液如乙醇、异丙醇、甲酰胺或采用水凝胶与p型硅半导体材料形成固-液界面,在固-液界面上,使光斑的强度变化或使光斑移动,或使静止或移动的光斑作开启、关闭(on/off)切换,或采用光源照射在上述固-液界面上,采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动,或上述条件的组合,均可以使半导体两端电极间产生电压。
在另一些实施例中,将上述实施例中的p型硅半导体材料替换为带隙小于6电子伏特的有机、无机类半导体材料,如硅、锗、砷化镓、聚乙炔、二硫化钼、黑磷、酞菁、孔雀石绿、甲胺铅碘、乙胺铅氯,在固-液界面上,使光斑的强度变化或使光斑移动,或使静止或移动的光斑作开启、关闭(on/off)切换,或采用光源照射在上述固-液界面上,采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动,或上述条件的组合,均可以使半导体两端电极间产生电压。
在另一些实施例中,将上述实施例4中的条件替换为仅改变光斑强度,不使光斑发生相对移动,也可以产生电压。随着光斑光强强度的增大,产生的电信号也随之增大。
在另一些实施例中,将上述实施例4中的条件替换为光斑静止,使光斑作开启/关闭(on/off)切换,也可以产生电压。
在另一些实施例中,将上述实施例4中的条件替换为光斑移动,使光斑作开启/关闭(on/off)切换,也可以产生电压。
需要说明的是,此处的开启/关闭切换,可以为由开启到关闭,也可以为由关闭到开启,或者开启与关闭的循环。
本领域的技术人员容易理解,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 (10)
1.一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,包括传感组件,所述传感组件包括极性液体材料、半导体材料,以及设置于所述半导体材料两端的电极;所述半导体材料与极性液体材料接触形成固-液界面。
2.根据权利要求1所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述极性液体材料选自无机极性分子液体、有机极性分子液体或含离子的液体中的一种或几种极性液体。
3.根据权利要求1所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述极性液体材料,还包括由极性液体与固体框架材料组合形成的材料。
4.根据权利要求3所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述极性液体材料为水凝胶。
5.根据权利要求1所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述半导体材料包括带隙小于6电子伏特的有机半导体材料或无机半导体材料,且掺杂浓度不限。
6.根据权利要求5所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述半导体材料为单晶或多晶材料,或半导体与其他材料混合形成的材料。
7.根据权利要求5所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换装置,其特征在于,所述半导体材料选自硅、锗、砷化镓、聚乙炔、二硫化钼、黑磷中的一种或几种。
8.一种基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换方法,其特征在于,采用光源照射在权利要求1~7中任意一项所述装置的固-液界面上,并且采用包括以下条件之一或其任意组合进行处理:
移动光斑;
或改变光斑的强度;
或使静止或移动的光斑作开启、关闭切换;
或采用物体遮挡部分固-液界面,并使物体遮挡产生的阴影与固-液界面产生相对移动;
以使半导体两端电极间产生电压。
9.根据权利要求8所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换方法,其特征在于,移动光斑的同时增大光斑的强度,使半导体两端电极间产生增大的电压。
10.根据权利要求9所述的基于半导体-极性液体界面的光动传感及能量转换方法,其特征在于,所述光源可以为环境光或人造光,所述人造光包括任意波长的单色光或其组合。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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