CN113783471A - 一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜动态半导体‑聚合物半导体异质结直流发电机及其制备方法，所述发电机包括具有不同费米能级的半导体层和薄膜聚合物半导体层，且二者之间可水平接触滑动。半导体与聚合物半导体相互接触即形成一个内建电势，在内建电场的作用下，异质结区内平行移动产生的扩散电荷会定向分离，产生电流，从而将施加的机械能直接转换为直流电能，可以为各种小型、柔性的电子设备和产品提供可再生的清洁能源。与传统电磁感应发电机相比，本发电机质量轻、体积小；与纳米发电机相比，本发电机不需要外加整流电路就能输出直流电信号，电流密度高，且亦能达到10V的电压；与太阳能电池相比，本发电机无需光照即可发电。本发明器件结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机及其制备方法，属于新型绿色可再生能源获取技术领域。
背景技术
近年来，随着物联网、人工智能、可穿戴设备等新兴领域的发展，电子产品的微型化和柔性化迎来了极大的挑战。传统的法拉第电磁发电机基于金属切割磁力线，限制了其在微型、轻质化场景的应用。为了应对不同应用场合的能源供应需求，急需稳定、高功率、轻质、柔性的新型发电机。
压电纳米发电机及摩擦纳米发电机受限于发电电流密度小、功率不高且输出电信号为交流电，难以应用于电子设备的供电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机及其制备方法。
本发明的一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机，包括两大部分，第一部分包括第一电极层以及与第一电极层紧贴的半导体层；第二部分包括薄膜聚合物半导体层和第二电极，第二电极下具有支撑层。第一部分的半导体层与第二部分的薄膜聚合物半导体层直接接触且二者可以相互水平接触滑动，形成动态的异质结直流发电机。所述的半导体层以及薄膜聚合物半导体层所用材料的费米能级不同。
上述技术方案中，所述的半导体材料层为MoS2、MoSe2、WS2和WSe2等二维过渡金属硫化物半导体材料中的一种。
所述的薄膜聚合物半导体层是PVK、PFO、MEHPPV、PDMS、PVDF等半导体材料中的一种，厚度为10nm-10μm。
所述的第一电极选自金、铜、镍、钛、铬、银、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为10nm-500nm。
第二电极选自ITO、FTO、AZO等直接成型于支撑基底材料(即支撑层)上的电极，厚度为10nm-500nm。
本发明的动态的异质结直流发电机，可以将风能、机械能、潮汐能等任一种动态行为携带的能量转换为直流电信号输出。
所述的薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生的电信号为直流电信号，且电流密度极高的同时电压也超过10V。
制备上述的薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机的方法，包括如下步骤：
1)在半导体层背面制作第一电极；
2)在带有支撑层的第二电极层上旋涂薄膜聚合物半导体层；
3)将半导体层正面压到薄膜聚合物半导体层上形成可滑动的接触，得到薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，将半导体层和薄膜聚合物半导体层相对水平移动或垂直接触分离，即可产生直流电信号。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明中，由具有不同费米能级的薄层半导体材料和聚合物半导体材料构成，半导体材料和聚合物半导体材料行成的异质结区内平行移动产生的扩散电荷会定向分离，得到直流电信号输出。器件的结构简单，采用薄膜半导体层，提高了发电电压；采用带电极的支撑层，简化了制备工艺流程，降低了成本。与已有的动态PN结发电机相比，本发明的薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机，采用二维半导体及薄膜聚合物半导体，以及柔性支撑基底材料，提高了发电电压的同时使得发电机整体微型、柔性和轻质化，可应用于小型电子设备的供能。本发明的薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机可以在无磁场、无光的条件下随时随地获取风能、机械能、潮汐能等动态行为携带的能量来输出电信号。同时，动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机无需外加整流电路以及储能模块即可为电子电路系统实时供电，可以在物联网、可穿戴设备上获得重要应用。
附图说明
图1为薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机的结构示意图；
图2为基于二硫化钼/PVDF的直流发电机的电压输出随时间变化图；
图3为基于二硫化钼/PVDF的直流发电机的电流输出随时间变化图；
图4为基于二硫化钼/PDMS的直流发电机的电压输出随时间变化图；
图5为基于二硒化钨/PVDF的直流发电机的电压输出随时间变化图；
图6为基于二硫化钼/PVK、PFO、MEHPPV的直流发电机的输出电压对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，先在半导体层2背面制作第一电极1，然后在带有支撑层5的第二电极层4上旋涂薄膜聚合物半导体层3，将半导体层正面压到薄膜聚合物半导体层上形成可滑动的接触，得到薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，将半导体层和薄膜聚合物半导体层相对水平移动或垂直接触分离，即可产生直流电信号。本发明基于动态异质结的直流发电机，半导体与聚合物半导体相互接触即形成一个内建电势，在内建电场的作用下，异质结区内平行移动产生的扩散电荷会定向分离，产生电流，从而将施加的机械能直接转换为直流电能，可以为各种小型、柔性的电子设备和产品提供可再生的清洁能源。与传统的电磁感应发电机相比，本发电机质量轻、体积小；与纳米发电机相比，本发电机不需要外加整流电路就能输出直流电信号，电流密度高，且亦能达到10V的电压；与太阳能电池相比，本发电机无需光照即可发电。器件的结构简单，采用带电极的支撑层，简化了制备工艺流程，降低了成本。
实施例1：
1)在二硫化钼的背面通过热蒸发制作电极，材质为20nm钛/50nm金电极，然后将样品依次浸入丙酮和异丙醇中各5min，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出用氮气枪吹干；
2)在ITO的正面采用银浆加热固定引出铜导线，用于连接测量仪器；
3)在ITO的正面通过旋涂制作PVDF半导体层:将10mg PVDF溶解于2mL氯苯中，所得溶液1000r/min旋涂于ITO上，在通风橱内风干；
4)将1)处理后的二硫化钼片压在PVDF薄膜片上，使二硫化钼与PVDF接触并可相互移动即可得到一个动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生电信号。
所制得的二硫化钼/PVDF薄膜异质结直流发电机，是将二硫化钼压在PVDF薄膜上，接触并相互移动即可得到一个基于动态异质结的直流发电机。用手将二硫化钼在PVDF薄膜表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的电压大小约为6V，如图2所示；产生的直流电流大小约为0.2μA，如图3所示。电流密度为0.2A/m2。
实施例2：
1)在二硫化钼的背面通过热蒸发制作电极，材质为20nm钛/100nm金电极，然后将样品依次浸入丙酮和异丙醇中各5min，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出用氮气枪吹干；
2)在FTO的正面采用银浆加热固定引出铜导线，用于连接测量仪器；
3)在FTO的正面通过旋涂制作PDMS半导体层：将PDMS与固化剂按比例混合，所得溶液500r/min旋涂于FTO上，在通风橱内风干；
4)将1)处理后的二硫化钼片压在PDMS薄膜片上，使二硫化钼与PDMS接触并可相互移动即可得到一个动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生电信号。
所制得的二硫化钼/PDMS薄膜异质结直流发电机，是将二硫化钼压在PDMS薄膜上，接触并相互移动即可得到一个基于动态异质结的直流发电机。用手将二硫化钼在PDMS薄膜表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的电压大小约为10V，如图4所示。
实施例3：
1)在二硒化钨的背面通过热蒸发制作电极，材质为50nm镍/50nm金电极，然后将样品依次浸入丙酮和异丙醇中各5min，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出用氮气枪吹干；
2)在AZO的正面采用银浆加热固定引出铜导线，用于连接测量仪器；
3)在AZO的正面通过旋涂制作PVDF半导体层：将20mg PVDF溶解于1mL氯苯中，所得溶液2000r/min旋涂于AZO上，在通风橱内风干；
4)将1)处理的二硒化钨片压在PVDF薄膜片上，使得二硒化钨与PVDF接触并可相互移动即可得到一个动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生电信号。
所制得的二硒化钨/PVDF薄膜异质结直流发电机，是将二硒化钨压在PVDF薄膜上，接触并相互移动即可得到一个基于动态异质结的直流发电机。用手将二硒化钨在PVDF薄膜表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的电压大小约为5V，如图5所示。
实施例4：
1)在二硫化钼的背面通过热蒸发制作电极，材质为50nm金电极，然后将样品依次浸入丙酮和异丙醇中各5min，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出用氮气枪吹干；
2)在ITO的正面采用银浆加热固定引出铜导线，用于连接测量仪器；
3)在ITO的正面通过旋涂制作PFO半导体层：将50mg PFO溶解于1mL氯苯中，所得溶液3000r/min旋涂于ITO上，在通风橱内风干；
4)将1)处理的二硫化钼片压在PFO薄膜片上，使二硫化钼与PFO接触并可相互移动即可得到一个动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生电信号。所制得的二硫化钼/PFO薄膜异质结直流发电机，是将二硫化钼压在PFO薄膜上，接触并相互移动即可得到一个基于动态异质结的直流发电机。用手将二硫化钼在PFO薄膜表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的电压大小约为7V，如图6所示。
实施例5
1)在二硫化钼的背面通过热蒸发制作电极，材质为100nm金电极，然后将样品依次浸入丙酮和异丙醇中各5min，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出用氮气枪吹干；
2)在ITO的正面采用银浆加热固定引出铜导线，用于连接测量仪器；
3)在ITO的正面通过旋涂制作MEHPPV半导体层：将25mg MEHPPV溶解于1mL氯苯中，所得溶液3000r/min旋涂于ITO上，在通风橱内风干；
4)将1)处理的二硫化钼片压在MEHPPV薄膜片上，使二硫化钼与MEHPPV接触并可相互移动即可得到一个动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，产生电信号。
所制得的二硫化钼/MEHPPV薄膜异质结直流发电机，是将二硫化钼压在MEHPPV薄膜上，接触并相互移动即可得到一个基于动态异质结的直流发电机。用手将二硫化钼在MEHPPV薄膜表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的电压大小约为4V，如图6所示。
Claims (4)
1.一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机，其特征在于，该直流发电机包括两大部分，第一部分包括第一电极层(1)以及与第一电极层紧贴的半导体层(2)；第二部分包括薄膜聚合物半导体层(3)和第二电极(4)，第二电极具有支撑层(5)，第一部分的半导体层与第二部分的薄膜聚合物半导体层直接接触且使二者可以相互水平接触滑动，形成动态的异质结直流发电机；所述的半导体层(2)以及薄膜聚合物半导体层(3)所用材料的费米能级不同，且所述的半导体层(2)选自MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的一种，所述的薄膜聚合物半导体层(3)选自PVK、PFO、MEHPPV、PDMS、PVDF中的一种，厚度为10nm-10μm。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机，其特征在于，所述的第一电极(1)选自金、铜、镍、钛、铬、银、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为10nm-500nm；第二电极(4)选自直接成型于支撑基底材料上的电极，厚度为10nm-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机，其特征在于，该直流发电机用于将风能、机械能、潮汐能中的任一种动态行为携带的能量转换为直流电信号输出。
4.制备如权利要求1-3任一项所述的一种薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在半导体层(2)背面制作第一电极(1)；
2)在带有支撑层(5)的第二电极层(4)上旋涂薄膜聚合物半导体层(3)；
3)将半导体层(2)正面压到薄膜聚合物半导体层(3)上形成可滑动的接触，得到薄膜动态半导体-聚合物半导体异质结的直流发电机，将半导体层(2)和薄膜聚合物半导体层(3)相对水平移动，即可产生直流电信号。
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