CN117500955A - 用于进行水电解的装置及其系统 - Google Patents

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Abstract

披露了一种用于进行水电解的装置(1)。该装置包括：半导体结构(10)，该半导体结构包括表面(11)和所述表面(11)下方的电子引导层(12)，该半导体结构(10)的电子引导层(12)被配置成引导电子在平行于该表面(11)的平面内移动，该半导体结构(10)的电子引导层(12)包括InGaN量子阱(14)或异质结(18)，该异质结(18)是AlN材料与GaN材料之间的结或者AlGaN材料与GaN材料之间的结；至少一个金属阴极(20)，该至少一个金属阴极布置在该半导体结构(10)的表面(11)上；以及至少一个光电阳极(30)，该至少一个光电阳极布置在该半导体结构(10)的表面(11)上，其中，该至少一个光电阳极(30)包括InxGa(1‑x)N材料的多个量子点(32)，其中，0.4≤x≤1。还披露了一种包括这种装置的系统。

Description

用于进行水电解的装置及其系统
技术领域
本发明构思总体上涉及一种用于进行水电解的装置以及一种包括所述装置的系统。
背景技术
氢气可以用作清洁燃料。氢气可以例如用在燃料电池中来产生电流，其中废弃产物可以主要包括水。氢气可以通过(例如由光电解电池)进行水电解而产生。然而，当前用于进行水电解的装置还有改进的空间。
发明内容
本发明构思的目的是实现水电解。本发明构思的另一目的是实现节能和/或成本高效的水电解。本发明构思的另一目的是实现环境友好的水电解。本发明构思的另一目的是能够从水电解产生的氢气产生电流。至少部分地通过独立权利要求中限定的发明来实现本发明构思的这些和其他目的。在从属权利要求中阐述了优选实施例。
根据第一方面，提供了一种用于进行水电解的装置，该装置包括：半导体结构，该半导体结构包括表面和所述表面下方的电子引导层，该半导体结构的电子引导层被配置成引导电子在平行于该表面的平面内移动，该半导体结构的电子引导层包括InGaN量子阱或异质结，该异质结是AlN材料与GaN材料之间的结或者AlGaN材料与GaN材料之间的结；至少一个金属阴极，该至少一个金属阴极布置在该半导体结构的表面上；以及至少一个光电阳极，该至少一个光电阳极布置在该半导体结构的表面上，其中，该至少一个光电阳极包括InxGa(1-x)N材料的多个量子点，其中，0.4≤x≤1。
这种装置可以以节能和/或成本高效的方式进行水电解。该装置可以被配置成，当在操作中，并且当该至少一个金属阴极和该至少一个光电阳极被浸入水中且被阳光照射时：通过该至少一个光电阳极吸收阳光以在该至少一个光电阳极中产生光激发电子；以及将所述光激发电子从该至少一个光电阳极经由该电子引导层引导至该至少一个金属阴极。
因此，该装置可以被配置成在操作时提供路径以供电子从至少一个光电阳极经由电子引导层传输到至少一个金属阴极。这里，该装置可以被配置成在操作时允许电子从至少一个光电阳极隧穿到电子引导层。这里，该装置可以被配置成在操作时允许电子从电子引导层隧穿到至少一个金属阴极。电子引导层可以被配置成引导电子从至少一个光电阳极移动到至少一个金属阴极。电子引导层被配置成引导电子在平行于该表面的平面内移动。因此，电子引导层可以是允许电子在平行于该表面的平面内移动并且限制电子移动出该平面的层。
光激发电子可以是至少一个光电阳极的导带中的电子。在至少一个光电阳极中产生光激发电子可以同时产生空穴。空穴可以是至少一个光电阳极的价带中的空穴。至少一个光电阳极的价带中的空穴可以转移至半导体结构所浸入的水中以产生氢离子。因此，当装置操作时，可以根据下式在至少一个光电阳极处形成氧气和氢离子：
然后，氢离子可以行进通过半导体结构所浸入的水到达至少一个金属阴极，以拾取电子并根据下式形成氢气：
(阴极)2H++2e-→H2
因此，该装置可以被配置成执行水电解，从而：在至少一个光电阳极处产生氧气，以及在至少一个金属阴极处产生氢气。由于水可以具有低电导率，因此可以有利地使用电解质来使反应充分进行。氢离子和氢氧根离子通过阳极与阴极之间的电场传输，在阳极和阴极处发生阳极半反应和阴极半反应。
对盐水(例如，海水)进行水电解可以是有利的，因为盐水可以包含高浓度的离子。因此，至少一个光电阳极和至少一个金属阴极可以被配置成可浸入盐水中。类似地，半导体结构可以被配置成可浸入盐水中。
量子点(QD)可以是足够小以表现出量子力学能量量子化的半导体结构。量子点的大小可以小于150×150×100nm，比如小于100×100×10nm。量子点可以表现出完全能量量子化，即量子点内的电荷载流子可以在三个维度均受约束。因此，量子点可以被视为零维结构，其可以具有比例如一维结构(例如量子线)、或二维结构(例如量子阱)、或三维结构(例如体结构)更高的态密度。高态密度可以使得高效地吸收阳光。高态密度可以附加地或替代性地增强用于水分解的电子-空穴对的产生。
InxGa(1-x)N材料的量子点可以具有以下优点：它们在电子能级和空穴能级之间提供大能隙。能隙可以取决于InxGa(1-x)N材料的带隙以及量子约束。水电解可以需要至少1.23eV的能隙。在许多情况下，大于1.23eV的能隙可以是有利的。进一步地，InxGa(1-x)N材料可以对光腐蚀保持稳定，这可以使装置稳定而不随时间劣化。类似的材料系统InGaPN已被证明对光腐蚀保持稳定，如Journal of The Electrochemical Society[电化学学会杂志],155,9,B903-B907,2008中所述。
这种稳定的装置可以是成本高效的，因为它们可以不需要经常更换。发明人认识到，水中离子的转移可能限制水电解的速率。因此，在具有布置在同一半导体结构上的至少一个金属阴极和至少一个光电阳极的装置中，离子行进的距离可以很小。这可以使得高效地传输离子并由此高效地产生氢气。
进一步地，使至少一个金属阴极和至少一个光电阳极布置在同一半导体结构上可以使装置紧凑。进一步地，使至少一个金属阴极和至少一个光电阳极布置在同一半导体结构上可以促进低生产成本，因为装置需要更少的部件。
发明人认识到，包括InGaN量子阱、或AlN/GaN异质结、或AlGaN/GaN异质结的电子引导层可以有效地将电子从至少一个光电阳极引导至至少一个金属阴极。这可以使得高效地传输电子并由此高效地产生氢气。
InGaN量子阱可以例如在量子力学上在一个维度上约束电子，因此可以被视为二维结构。量子阱可以具有与InGaN的导带中的电子的德布罗意波长相当的厚度。InGaN量子阱内的电子可以形成二维电子气(2DEG)。由于约束，InGaN量子阱内的电子迁移率可以很高，这可以有助于高效的电子传输。
类似地，2DEG可以在AlN/GaN异质结或AlGaN/GaN异质结处产生，例如通过在结处自发和/或压电极化产生或通过调制掺杂产生。术语异质结是指具有不同带隙的两种材料之间的结。AlN或AlGaN可以具有比GaN更大的带隙。术语AlN/GaN异质结是指AlN材料与GaN材料之间的结。术语AlGaN/GaN异质结是指AlGaN材料与GaN材料之间的结。这里，结可以是具有不同带隙的两种材料之间的界面。AlN/GaN异质结或AlGaN/GaN异质结处导带的能带弯曲可以将电子约束在结处以产生2DEG。
该装置可以被配置成使得当半导体结构浸入水中时，InxGa(1-x)N材料的量子点与水接触。因此，作为电解过程的一部分，可以在量子点与水的界面处交换电荷。
InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有至少1.23eV的能隙。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有至少1.6eV的能隙。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有在1.6eV到2.4eV范围内的能隙。这种情况可以使得高效地吸收光。
InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有高于氢的氧化还原电势的导带边缘。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有低于水氧化的氧化还原电势的价带边缘。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有跨越水分解的氧化还原电势的带隙或能隙。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有与水氧化的氧化还原电势一致的导带边缘和价带边缘。InxGa(1-x)N材料的量子点可以被配置成具有与氢反应电势一致的导带边缘。
该装置可以包括金属接触件，其中，该装置被配置成经由该金属接触件来向该至少一个光电阳极施加第一电势，并且向该至少一个金属阴极施加第二电势，该第一电势与该第二电势不同。
因此，在至少一个光电阳极与至少一个金属阴极之间可以存在电势差。第一电势和第二电势可以被配置成使得电势差为至少1.23V。
金属接触件可以包含镍金合金并且被配置成与半导体结构形成欧姆接触。这种金属接触件可以防止金属接触件与半导体结构之间的界面处出现大电势降。因此，这种金属接触件可以使装置节能。
认识到的是光电阳极或金属阴极的电势可以通过水中的离子屏蔽。电解质中的电屏蔽的量度可以是德拜(Debye)长度。在一个德拜长度内，电势可以通过因子1/e进行屏蔽。在海水中，德拜长度可以约为10nm。因此，可以有利的是将该装置配置成使得在光电阳极与金属阴极之间行进的离子(例如H+离子)不需要行进超过阈值距离，或者使得在光电阳极与金属阴极之间行进的离子平均不需要行进超过阈值距离。阈值距离可以是例如10nm、20nm或50nm。
该装置可以被配置成使得至少一个光电阳极中的每个光电阳极位于至少一个金属阴极中的某个金属阴极的阈值距离内。阈值距离可以是例如10nm、20nm或50nm。
在该装置中，至少一个光电阳极的每个量子点可以表现出最短QD到阴极距离，该最短QD到阴极距离是从该量子点到至少一个金属阴极中的最近的金属阴极的最短距离。该装置可以被配置成使得至少一个光电阳极的量子点的最短QD到阴极距离的平均值为10nm或更小。替代性地，该装置可以被配置成使得至少一个光电阳极的量子点的最短QD到阴极距离的平均值为20nm或更小。替代性地，该装置可以被配置成使得至少一个光电阳极的量子点的最短QD到阴极距离的平均值为50nm或更小。
该装置的至少一个金属阴极可以包含括镍。替代性地或附加地，该装置的至少一个金属阴极可以包含铂。这种金属阴极可以与半导体结构形成良好的接触，例如欧姆接触。这种金属阴极可以在电解过程中抗氧化或抗降解。镍可以是廉价金属，这样可以降低装置价格。
该装置的至少一个金属阴极可以包含钯。这种金属阴极可以与半导体结构形成良好的接触，例如欧姆接触。这种金属阴极可以在电解过程中抗氧化或抗降解。
进一步地，人们认识到包括合适的金属(例如钯或镍)的金属阴极可以实现核反应，核反应可以产生热量来驱动涡轮机，从而产生电力。这种发电可以与氢气生产同时进行。海水可以包含约1％的可以用于核反应的重水。重水与包含钯或镍的金属阴极可以形成过剩热量。过剩热量可能足以使水沸腾。例如，钯可以吸收上至其自身体积900倍的用于发生这种反应的氢气。在包含钯或镍的金属阴极中，氘原子可以以高密度约束在空位-氘簇中。金属阴极的钯或镍可以具有面心立方晶体结构。面心立方晶体结构可以优于其他晶体结构，因为面心立方晶体结构可以吸收大量氘而不变得太脆。
镍的电子构型可以是[Ar]3d84s2，其3d壳层几乎填满，但4s壳层中没有空间。钯可以是元素周期表中在基态下唯一具有填满的dn壳层(即4d10)和空的sn+1或5s0壳层的元素。因此认识到，来自重水的氘原子可以被吸引到包含钯或镍的金属阴极，并且可以在金属阴极的晶格内部发生反应。光电阳极处的重水反应可以是2D2O→O2+4D++4e-，并且金属阴极的反应可以是4D++4e-→2D2。这种核反应可能会加热水，从而通过驱动涡轮机进一步产生电力。
电压施加到浸入重水和锂盐(比如LiBF4、LiPF6)中的光电阳极和金属阴极。D2O然后可以解离为DO-和D+离子。当电压施加到电极上时，DO-可以被吸引到光电阳极，在那里它们失去多余的电子形成氧原子并与其他DO-离子结合以重新形成D2O。氧原子可以结合形成O2并以气体形式逸出。D+离子可以被吸引到带负电的金属阴极并扩散到晶格内的原子间位置。其他D+离子可能碰撞并形成太大而无法进入晶格并且也以气体形式逸出的D2分子。施加高DC电压可以增加氘离子进入晶格的负载。当氘的浓度增加到饱和时，氘原子可以开始集体移动。根据反应D+D→4He+p，成对的氘原子可以融合在一起形成4He同位素。
分别向金属阴极和光电阳极施加DC+和DC-电压可以促进表面等离激元(极化激元)，表面等离激元是由固体表面上的电子集体振荡产生的等离子体振荡的量子。这可以是在室温下带负电荷的晶格中驱动D+离子。经典地，当氘原子之间的距离变为零时，库仑电势的散度意味着在低能量下，它们甚至无法保持彼此非常接近，或参与低能核反应(LENR)。通过量子隧穿，氘原子核可以隧穿它们相互的库仑势垒并融合。
装置的半导体结构的电子引导层可以包括InGaN量子阱的超晶格，该超晶格的每个InGaN量子阱具有带隙，其中，该超晶格的InGaN量子阱被带隙大于该超晶格的InGaN量子阱的带隙的半导体势垒材料分隔。InGaN量子阱的超晶格可以包括被势垒材料分隔开的至少两个InGaN量子阱。与单量子阱相比，超晶格可以具有增强的电子迁移率。
进一步地，半导体结构的电子引导层可以包括厚度在1nm到7nm之间(例如3nm到5nm之间)的InGaN量子阱。例如，半导体结构的电子引导层可以包括厚度在1nm到7nm之间的单个InGaN量子阱。替代性地，半导体结构的电子引导层可以包括InGaN量子阱的超晶格，其中，超晶格的InGaN量子阱(例如超晶格的所有InGaN量子阱)中的至少一个的厚度在1nm到7nm之间。这样的厚度可以确保电子对InGaN量子阱具有足够的亲和力。因此，可以促进从至少一个光电阳极到电子引导层的隧穿。厚度可以是在与半导体结构的表面正交的方向上测量的厚度。
进一步地，半导体结构的电子引导层可以包括具有InzGa(1-z)N组成的InGaN量子阱，其中，x≤z。因此，半导体结构的电子引导层的InGaN量子阱可以比至少一个光电阳极的多个量子点的铟含量丰富。这种组成可以确保电子引导层的InzGa(1-z)N量子阱具有比至少一个光电阳极低的带隙。因此，可以促进从至少一个光电阳极到电子引导层的隧穿。
例如，半导体结构的电子引导层可以包括单个InzGa(1-z)N量子阱，其中，x≤z。替代性地，半导体结构的电子引导层可以包括InGaN量子阱的超晶格，其中，超晶格的InGaN量子阱中的至少一个是InzGa(1-z)N量子阱，其中，x≤z。
该装置可以被配置成在半导体结构的电子引导层中提供二维电子气(2DEG)。2DEG可以在半导体结构的电子引导层中的一个单独的InGaN量子阱内提供，或者在InGaN量子阱的超晶格内提供。替代性地，2DEG可以在半导体结构的电子引导层中的AlN/GaN异质结或AlGaN/GaN异质结处提供。当装置操作时可以提供2DEG。在一些装置中，当装置不操作时也可以另外提供2DEG。2DEG可以是在二维中自由移动但在第三个维度上受约束的电子气。电子气可以在平行于半导体结构的表面的平面中自由移动。
应当理解，根据第一方面的装置，其中，用InxGa(1-x)NP材料的多个量子点替代InxGa(1-x)N材料的多个量子点可以具有与根据第一方面的装置类似的优点。
因此，可以通过以下提供优点：
一种用于进行水电解的装置，该装置包括：半导体结构，该半导体结构包括表面和所述表面下方的电子引导层，该半导体结构的电子引导层被配置成引导电子在平行于该表面的平面内移动，该半导体结构的电子引导层包括InGaN量子阱或异质结，该异质结是AlN材料与GaN材料之间的结或者AlGaN材料与GaN材料之间的结；至少一个金属阴极，该至少一个金属阴极布置在该半导体结构的表面上；以及至少一个光电阳极，该至少一个光电阳极布置在该半导体结构的表面上，其中，该至少一个光电阳极包括InxGa(1-x)NP材料的多个量子点，其中，0.4≤x≤1。
根据第二方面，提供了一种系统，该系统包括：根据第一方面的装置(或者其中InxGa(1-x)N材料的多个量子点被InxGa(1-x)NP材料的多个量子点替代的装置)；以及容器，该容器被配置成容纳水，该容器包括气体出口。该装置和该容器被布置成使得当该容器容纳该水时，该装置的至少一个金属阴极和至少一个光电阳极都浸入该水中。该系统被配置成使得当该装置在操作中并且该装置的至少一个金属阴极和至少一个光电阳极浸入该水中且被阳光照射时，在该容器的气体出口处呈现混合气体流，其中，该混合气体流包含该装置进行水电解而产生的氧气和氢气。该系统进一步包括气体过滤器，该气体过滤器被配置成：接收来自该容器的气体出口的混合气体流；将该混合气体流过滤为氢气流；以及在该气体过滤器的氢气出口处呈现该氢气流。该系统进一步包括燃料电池，该燃料电池被配置成：接收来自该气体过滤器的氢气出口的氢气流；以及使所接收到的氢气流与氧气发生反应以产生电流。因此，该系统可以从阳光照射半导体结构(例如照射布置在半导体结构的表面上的至少一个光电阳极)产生电流。
燃料电池可以被配置成使所接收到的氢气流与来自空气的氧气反应。替代性地，该系统可以被配置成从混合气体流中过滤出氧气和氢气两者。在这种情况下，气体过滤器可以进一步被配置成：将该混合气体流过滤为氧气流；在该气体过滤器的氧气出口处呈现该氧气流；以及使所接收到的氢气流与来自所接收到的氧气流中的氧气发生反应以产生电流。
当该系统产生氢气时，如果对电流的需求暂时较低，则可以储存部分或全部氢气流。
由于该装置的至少一个光电阳极和至少一个金属阴极可以彼此靠近，因此来自至少一个光电阳极和至少一个金属阴极的氢气和氧气可以混合。因此，系统的气体过滤器可以提供将氧气与氢气分离的高效方式。
气体过滤器可以是变压吸附过滤器。变压吸附过滤器可以有效分离氧气和氢气。变压吸附过滤器可以包含沸石，例如具有介孔的沸石。
燃料电池可以是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池可以有利于移动应用，例如车辆应用，因为它可以很紧凑。
根据第二方面的系统可以具有与根据第一方面的装置相同或类似的优点，并且可能成为未来分案申请的主题。
附图说明
通过参考附图进行的以下说明性且非限制性的详细描述，将更好地理解本发明概念的以上及附加的目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则同样的附图标记将用于同样的元件。
图1是装置的截面视图。
图2是装置的俯视图。
图3是装置的俯视图。
图4是装置的截面视图。
图5是装置的截面视图。
图6展示了系统。
图7展示了系统。
具体实施方式
结合附图，下文根据优选实施例对本发明的技术内容及具体实施方式进行描述，并不用于限制所要求保护的范围。本发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为受限于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例被提供用于获得彻底性和完整性、并且向技术人员充分地传达本发明的范围。
图1展示了用于执行水电解的装置1的截面视图。装置1包括半导体结构10，其可以是半导体芯片，例如氮化物半导体材料(例如III族氮化物材料)的半导体芯片。III族氮化物材料在本文中可以指来自元素周期表中的III族材料与氮的一种或多种合金，例如GaN、AlN、AlGaN、InGaN或InGaNP。半导体结构10包括表面11。表面11的法线可以是半导体结构10的生长方向，即半导体结构10已经生长(例如，外延生长)的方向。半导体结构10进一步包括位于表面11下方的电子引导层12。在图中，电子引导层12包括InGaN量子阱14的超晶格16。在图中，超晶格16包括三个InGaN量子阱14。
所示装置1进一步包括布置在表面11上的金属阴极20、光电阳极30、以及金属接触件40。
当装置1在操作中并且金属阴极20和光电阳极30与水接触并且光电阳极30被阳光照射时，装置1可以通过光电阳极30吸收阳光以在光电阳极30中产生光激发电子。然后，装置1可以将所述光激发电子从光电阳极30经由电子引导层12引导至金属阴极20。因此，光激发电子可以从光电阳极30移动到半导体结构10中到电子引导层12，然后在电子引导层12内侧向地朝向金属阴极20移动，然后离开半导体结构10到达金属阴极20。同时，离子可以在水中在光电阳极30到金属阴极20之间移动。例如，H+离子可以从光电阳极30移动到金属阴极20。
至少一个光电阳极30包括InxGa(1-x)N材料的多个量子点32，其中，0.4≤x≤1。量子点32可以外延连接至半导体结构10，例如，以Stranski-Krastanov或Volmer-Weber生长形成。替代性地，量子点32可以沉积在半导体结构10上，例如胶体量子点32沉积在半导体结构10上。量子点32可以独立于半导体结构10的表面11上或者嵌入或覆盖，例如嵌入或覆盖在具有比量子点32大的带隙的半导体材料中。多个量子点32的形成可以是随机过程。因此，多个量子点32可以随机布置在半导体结构10的表面11上。
图2展示了装置1的俯视图。如图所示，金属阴极20可以是半导体结构10的表面11的顶部上的金属层。金属层可以包括孔，光电阳极30在半导体结构10的表面11上布置在这些孔中。在每个光电阳极30内可以有多个量子点32，如插图中所示。光电阳极30不一定需要布置在金属阴极20的孔内。可以使用其他构型。例如，光电阳极30和金属阴极20可以形成交叉指型结构，如图3中的装置1的俯视图所示。这里，光电阳极30和金属阴极20可以是梳状形状，其中，梳状形状互锁以形成交叉指型结构。
装置1可以被配置成使得从光电阳极30的量子点32到金属阴极20的距离较小。至少一个光电阳极30的每个量子点32可以表现出最短QD到阴极距离，该最短QD到阴极距离是从该量子点到至少一个金属阴极20中的最近的金属阴极20的最短距离。装置1可以被配置成使得至少一个光电阳极30的量子点32的最短QD到阴极距离的平均值为10nm或更小。例如，在图2中，金属阴极中的布置有光电阳极30的金属孔可以具有10nm或20nm的直径。如果孔具有20nm的直径，则量子点32的最短QD到阴极距离可以为上至10nm，即孔中心的量子点是如此。因此，孔的直径可以大于20nm，并且仍然满足至少一个光电阳极30的量子点32的最短QD到阴极距离的平均值为10nm或更小的要求。类似地，在图3中，金属阴极20的梳状形状的两个相邻齿之间的间隔可以是20nm。那么，量子点32的最短QD到阴极距离可以为上至10nm，即，在梳状形状的金属阴极20中两个相邻齿之间居中的量子点32是如此。同样，两个相邻齿之间的间隔可以大于20nm，并且仍然满足至少一个光电阳极30的量子点32的最短QD到阴极距离的平均值为10nm或更小的要求。
装置1可以进一步包括金属接触件40，如图1至图3所示。这里，装置1可以被配置成经由金属接触件40向至少一个光电阳极30施加第一电势，并且向至少一个金属阴极20施加第二电势，该第一电势与该第二电势不同。这里，金属接触件40可以连接到提供第一电势的电压源。这里，至少一个金属阴极20可以连接到提供第二电势的电压源。例如，金属接触件40和金属阴极20可以连接到同一电压源的不同端子，该电压源在这些端子之间提供电势差。
金属接触件40可以包含镍金合金。进一步地，金属接触件40可以被配置成与半导体结构10形成欧姆接触，例如，通过对金属接触件40进行热退火。
至少一个金属阴极20可以包含镍。替代性地或附加地，至少一个金属阴极20可以包含钯。
图4和图5展示了两种不同装置1的截面视图。如图4至图5所示，半导体结构10可以包括多个半导体层。对应层的材料在图中的右侧进行了指示。这里，Si代表硅，AlN代表氮化铝，GaN代表氮化镓，InGaN代表氮化铟镓，并且AlGaN代表氮化铝镓。下标可以指示三元化合物情况下的组成。对于某些层，在括号中指示对应层的掺杂。在图中，这些层是n掺杂的或是无掺杂的。作为量子阱的层被标记为QW。
如图所示，层序列从下到上可以是：硅层、AlN层、Al0.8Ga0.2N层、Al0.5Ga0.5N层、Al0.2Ga0.8N层、GaN层、电子引导层12、以及GaN层。层序列：硅层、AlN层、Al0.8Ga0.2N层、Al0.5Ga0.5N层、Al0.2Ga0.8N层；可以使得能够进行后续GaN层的外延生长。替代性地，可以使用提供GaN表面的衬底。所示的层序列可以使得能够使用便宜的衬底进行GaN生长。这里，Si层可以是Si衬底或晶圆，其可以比替代衬底便宜。AlN层、Al0.8Ga0.2N层、Al0.5Ga0.5N层和Al0.2Ga0.8N层可以共同形成缓冲层，该缓冲层使得能够以足够低的缺陷密度进行GaN外延生长。AlN层可以是溅射在硅衬底上的AlN层。如图所示，AlN层可以包括AlN柱。这些柱可以通过以下方式形成：光刻图案化平坦AlN层并通过等离子体刻蚀部分去除AlN材料以形成单独的柱。在AlN层的顶部可以接着一系列层，其中，III族材料的组成逐渐从富铝变为富镓。在图示中，Al0.8Ga0.2N层、Al0.5Ga0.5N层和Al0.2Ga0.8N这些层逐渐改变III族材料组成：从80％Al:20％ Ga，到50％ Al:50％ Ga，再到20％ Al:80％ Ga。铝和镓组成的逐渐变化当然可以在少于或多于三层上进行。当然可以使用与该示例中的铝和镓组成不同的铝和镓组成。
电子引导层12可以包括InGaN量子阱14。图4展示了装置1，在该装置中，电子引导层12包括InGaN量子阱14的超晶格16。电子引导层12的InGaN量子阱14可以具有InzGa(1-z)N组成，其中，x≤z。因此，半导体结构10的电子引导层12的InGaN量子阱14可以比至少一个光电阳极30的多个量子点32更富含铟。电子引导层12的InGaN量子阱14的厚度可以在1nm到7nm之间。装置1可以被配置成在电子引导层12中提供量子化的能态。装置1可以被配置成使得电子引导层12的最低量子化能态的能量低于光电阳极30的多个量子点32中的某个量子点32的最低能态。装置1可以被配置成使得当装置1在操作时，其在能量上有利于电荷载流子(例如电子)从量子点32移动到电子引导层12，例如，从量子点32量子力学隧穿到电子引导层12。因此，电子引导层12的一个或所有InzGa(1-z)N量子阱14的组成和厚度可以相对于光电阳极30的多个量子点32的组成和大小来配置，使得当装置1在操作时，其在能量上有利于电荷载流子(例如电子)从量子点32移动到电子引导层12。
如图4所示，电子引导层12的相邻InGaN量子阱14可以被带隙大于相邻InGaN量子阱14的带隙的半导体势垒材料分隔开。在图4中，半导体势垒材料是GaN。替代性地，可以使用另一种半导体势垒材料，例如InGaN半导体势垒材料，其中，InGaN势垒材料的铟含量低于InGaN量子阱14的铟含量。电子引导层12的相邻InGaN量子阱14的间隔可以足够小以在相邻InGaN量子阱14之间提供高效的量子力学耦合。相邻InGaN量子阱14之间的间隔，即势垒材料的厚度，可以低于10nm，比如低于5nm，比如低于3nm。
电子引导层12的InGaN量子阱14或多个量子阱14可以被配置成在半导体结构10的电子引导层12中提供2DEG。
图5展示了包括InGaN量子阱14的电子引导层12的替代方案。在图5中，电子引导层12包括AlGaN/GaN异质结18，AlGaN/GaN异质结18是AlGaN材料与GaN材料之间的结。AlGaN/GaN异质结18可以被配置成在半导体结构10的电子引导层12中提供2DEG。
如图4和图5所示，势垒层19可以布置在电子引导层12与半导体结构10的表面11之间。在图4中，势垒层19包含GaN，并且在图5中，势垒层19包含AlGaN。势垒层19可以将电子引导层12与光电阳极30和金属阴极20分隔开。势垒层19可以被配置成使得电荷载流子(例如电子)可以通过量子力学隧穿在光电阳极30与电子引导层12之间穿过。类似地，势垒层19可以被配置成使得电荷载流子(例如电子)可以通过量子力学隧穿在电子引导层12与金属阴极30之间穿过。势垒层19可以被配置成向被约束在光电阳极30的量子点32中的电荷载流子(例如电子)提供能量势垒。附加地或替代性地，势垒层19可以被配置成向被约束在电子引导层12中的电荷载流子(例如电子)提供能量势垒。势垒层19的厚度可以被配置成为电解过程提供足够的隧穿速率。因此，势垒层19的厚度可以低于10nm，比如低于5nm，比如低于3nm。
如图4和图5所示，半导体结构10的顶部半导体层(即与至少一个金属阴极20和至少一个光电阳极30接触的半导体层)可以被掺杂，例如，n掺杂。增大顶部半导体层的电子迁移率可以促进电子从至少一个光电阳极30传输到电子引导层12以及从电子引导层12传输到至少一个金属阴极20。顶部半导体层的掺杂可以促进经由金属接触件40向至少一个光电阳极30施加第一电势。
图6展示了包括如前所述的装置1的系统100。系统100进一步包括容器120，该容器被配置成容纳水102，其中，容器120包括气体出口122。在图6中，该容器容纳水102。
如图所示，装置1和容器120被布置成使得当容器120容纳水102时，装置1的至少一个金属阴极20和至少一个光电阳极30都浸入水102中。在图6中，整个半导体结构10被浸入水102中。然而，替代性地，装置1可以以其他方式布置。例如，半导体结构10的具有至少一个金属阴极20和至少一个光电阳极30的表面11可以形成容器的壁的一部分，例如容器底部的一部分。所示系统100被阳光104照射。容器120可以被配置成将阳光104传输到至少一个光电阳极30。例如，容器120的壁的一部分(例如容器120的顶部部分)可以至少部分地对阳光104透明。
系统100被配置成使得当装置1在操作中并且装置1的至少一个金属阴极20和至少一个光电阳极30被浸入水102中且被阳光104照射时，在容器120的气体出口122处呈现混合气体流。可以在至少一个光电阳极30处形成氧气，并且可以在至少一个金属阴极20处形成氢气。气体可以混合并被收集在容器120中，例如容器120顶部是封闭的以防止气体向上逸出。容器120的气体出口122可以布置在水102上方，使得所收集到的气体作为混合气体流流出气体出口122。
所示系统100进一步包括气体过滤器130，该气体过滤器被配置成：接收来自容器120的气体出口122的混合气体流；将该混合气体流过滤为氢气流；以及在气体过滤器130的氢气出口134处呈现该氢气流。
如图所示，气体过滤器130可以经由将容器120的气体出口122与气体过滤器130连接的气管来从容器120的气体出口122接收混合气体流。
所示系统100进一步包括燃料电池140，该燃料电池被配置成：接收来自气体过滤器130的氢气出口134的氢气流；以及使所接收到的氢气流与氧气发生反应以产生电流。
如图所示，燃料电池140可以经由将气体过滤器130的氢气出口134与燃料电池140连接的气管来从气体过滤器130的氢气出口134接收氢气流。
燃料电池140中的反应中使用的氧气可以取自空气，例如来自空气入口144的空气，如图6所示。
图7示出了系统100，该系统被配置成从混合气体流中过滤出氧气和氢气两者，并且使过滤出的氢气与过滤出的氧气在燃料电池140中发生反应。这种系统100可以用作图6中的系统100的替代方案。该系统包括气体过滤器130，该气体过滤器被配置成：接收来自容器120的气体出口122的混合气体流；将混合气体流过滤成氧气流和氢气流；以及在气体过滤器130的氧气出口132处呈现氧气流，并且在气体过滤器130的氢气出口134处呈现氢气流。
该系统进一步包括燃料电池140，该燃料电池被配置成：接收来自气体过滤器130的氧气出口132的氧气流；接收来自气体过滤器130的氢气出口134的氢气流；以及使所接收到的氢气流与来自所接收到的氧气流中的氧气发生反应以产生电流。
气体过滤器130可以例如是变压吸附过滤器。变压吸附过滤器可以包括吸附材料，例如沸石或分子筛。变压吸附过滤器可以在高压相与低压相之间交替。在高压相，所接收到的混合气体流可以在高压下进入变压吸附过滤器。然后吸附剂材料可以吸附混合气体流中的一种气体组分，例如吸附氧气。混合气体流的其他气体组分(例如氢气)可以穿过过滤器到达相应的出口，在该示例中到达氢气出口134。因此，氢气可以在气体过滤器130的氢气出口134处作为氢气流呈现。
变压吸附过滤器可以被配置成在低压相将气体过滤器130中的压力改变为低压以释放所吸附的气体。在比如图7所示的系统100中，来自变压吸附过滤器的高压相和低压相的气体均可以被引导至燃料电池140。继续前面的氧气被吸附的示例，在图7中，氢气出口134和混合气体流的入口可以在低压相期间关闭，使得所释放的氧气在气体过滤器130的氧气出口132处作为氧气流呈现。如果燃料电池140不使用来自气体过滤器130的氧气(比如在图6所示的系统100中)，则变压吸附过滤器可以将低压相中的氧气释放到排气装置中。
燃料电池140可以是包括质子交换膜141的质子交换膜燃料电池。如图6和图7所示，来自气体过滤器130的氢气出口134的氢气流可以在质子交换膜141的一侧进入燃料电池140。氧气，例如来自空气入口144(如图6所示)的氧气或从气体过滤器130的氧气出口132(如图7所示)作为氧气流接收的氧气，可以在质子交换膜141的另一侧进入燃料电池140。
在质子交换膜141的氢侧，可以形成H+离子(质子)和电子。质子可以穿过质子交换膜141，而电子可行进通过外部负载电路。在质子交换膜141的氧侧，氧和穿过质子交换膜141的质子以及行进通过外部负载电路的电子可以发生反应形成水。因此，所接收到的氢气流可以与氧气发生反应以在外部负载电路中产生电流。
在上文中，已经主要参考有限数量的示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易了解的，在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，除以上披露的示例之外的其他示例同样是可能的。

Claims (12)

1.一种用于进行水电解的装置(1)，该装置包括：
半导体结构(10)，该半导体结构包括表面(11)和所述表面(11)下方的电子引导层(12)，该半导体结构(10)的电子引导层(12)被配置成引导电子在平行于该表面(11)的平面内移动，该半导体结构(10)的电子引导层(12)包括InGaN量子阱(14)或异质结(18)，该异质结(18)是AlN材料与GaN材料之间的结或者AlGaN材料与GaN材料之间的结；
至少一个金属阴极(20)，该至少一个金属阴极布置在该半导体结构(10)的表面(11)上；以及
至少一个光电阳极(30)，该至少一个光电阳极布置在该半导体结构(10)的表面(11)上，其中，该至少一个光电阳极(30)包括InxGa(1-x)N材料的多个量子点(32)，其中，0.4≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，进一步包括金属接触件(40)，其中，该装置(1)被配置成经由该金属接触件(40)向该至少一个光电阳极(30)施加第一电势，并且向该至少一个金属阴极(20)施加第二电势，该第一电势与该第二电势不同。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其中，该金属接触件(40)包含镍金合金并且被配置成与该半导体结构(10)形成欧姆接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该至少一个光电阳极(30)的每个量子点(32)表现出最短量子点(QD)到阴极距离，该最短QD到阴极距离是从该量子点到该至少一个金属阴极(20)中的最近的金属阴极(20)的最短距离，其中，该至少一个光电阳极(30)的量子点(32)的最短QD到阴极距离的平均值为10nm或更小。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该至少一个金属阴极(20)包含镍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该至少一个金属阴极(20)包含钯。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该半导体结构(10)的电子引导层(12)包括具有InGaN量子阱(14)的超晶格(16)，该超晶格(16)的每个InGaN量子阱(14)具有带隙，其中，该超晶格(16)的InGaN量子阱(14)被半导体势垒材料分隔开，该半导体势垒材料的带隙大于该超晶格(16)的InGaN量子阱(14)的带隙。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该半导体结构(10)的电子引导层(12)包括厚度在1nm到7nm之间的InGaN量子阱(14)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，该装置(1)被配置成在该半导体结构(10)的电子引导层(12)中提供二维2D电子气。
10.一种系统(100)，该系统包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的装置(1)；
容器(120)，该容器被配置成容纳水，该容器(120)包括气体出口(122)，
其中，该装置(1)和该容器(120)被布置成使得当该容器(120)容纳该水时，该装置(1)的至少一个金属阴极(20)和至少一个光电阳极(30)都浸入该水中，
其中，该系统(100)被配置成使得当该装置(1)在操作中并且该装置(1)的至少一个金属阴极(20)和至少一个光电阳极(30)被浸入该水中且被阳光照射时，在该容器(120)的气体出口(122)处呈现混合气体流，其中，该混合气体流包含该装置(1)进行水电解而产生的氧气和氢气；
该系统(100)进一步包括气体过滤器(130)，该气体过滤器被配置成：
接收来自该容器(120)的气体出口(122)的混合气体流；
将该混合气体流过滤为氢气流；并且
在该气体过滤器(130)的氢气出口(134)处呈现该氢气流；以及该系统(100)进一步包括燃料电池(140)，该燃料电池被配置成：
接收来自该气体过滤器(130)的氢气出口(134)的氢气流；并且
使所接收到的氢气流与氧气发生反应以产生电流。
11.根据权利要求10所述的系统(100)，其中，该气体过滤器(130)是变压吸附过滤器。
12.根据权利要求10或11所述的系统(100)，其中，该燃料电池(140)是质子交换膜燃料电池。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3866189B1 (en) 2020-02-14 2022-09-28 Epinovatech AB A mmic front-end module

Family Cites Families (69)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2463073A (en) 1945-01-26 1949-03-01 Rca Corp Oscillator
US4103325A (en) 1977-03-18 1978-07-25 Sperry Rand Corporation Aircraft power and phase converter
EP0284700A1 (fr) 1987-03-31 1988-10-05 Marthaler, Willy Objet de maintien d'une pièce d'horlogerie et/ou de bijouterie destiné â être porté par une personne
US4873497A (en) 1988-10-03 1989-10-10 Motorola, Inc. Wide band voltage controlled R-C oscillator for use with MMIC technology
WO1995008452A1 (en) 1993-09-23 1995-03-30 Stichting Voor De Technische Wetenschappen Control method and circuit for an induction motor
CA2295069A1 (en) 1997-06-24 1998-12-30 Eugene A. Fitzgerald Controlling threading dislocation densities in ge on si using graded gesi layers and planarization
EP1483427A1 (en) 2002-02-11 2004-12-08 Rensselaer Polytechnic Institute Directed assembly of highly-organized carbon nanotube architectures
KR100593264B1 (ko) 2003-06-26 2006-06-26 학교법인 포항공과대학교 ｐ-타입 반도체 박막과 ｎ-타입 산화아연(ＺｎＯ)계나노막대의 이종접합 구조체, 이의 제법 및 이를 이용한소자
CN1638055A (zh) * 2003-12-24 2005-07-13 松下电器产业株式会社 氮化物系化合物半导体元件的制造方法
KR100664986B1 (ko) 2004-10-29 2007-01-09 삼성전기주식회사 나노로드를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그 제조 방법
US7202173B2 (en) 2004-12-20 2007-04-10 Palo Alto Research Corporation Incorporated Systems and methods for electrical contacts to arrays of vertically aligned nanorods
US20070108435A1 (en) 2005-02-07 2007-05-17 Harmon Eric S Method of making nanowires
US8044432B2 (en) 2005-11-29 2011-10-25 The Hong Kong University Of Science And Technology Low density drain HEMTs
US7968359B2 (en) 2006-03-10 2011-06-28 Stc.Unm Thin-walled structures
CA2643439C (en) 2006-03-10 2015-09-08 Stc.Unm Pulsed growth of gan nanowires and applications in group iii nitride semiconductor substrate materials and devices
WO2007109301A2 (en) 2006-03-20 2007-09-27 International Rectifier Corporation Merged gate cascode transistor
JP4807186B2 (ja) 2006-08-30 2011-11-02 マツダ株式会社 フリーピストンエンジンの制御装置
US8063450B2 (en) 2006-09-19 2011-11-22 Qunano Ab Assembly of nanoscaled field effect transistors
TW200835126A (en) 2006-11-28 2008-08-16 Int Rectifier Corp Synchronous DC/DC converter
FR2910721B1 (fr) 2006-12-21 2009-03-27 Commissariat Energie Atomique Ensemble collecteur de courant-electrode avec des cavites d'expansion pour accumulateur au lithium sous forme de films minces.
KR20150052343A (ko) 2007-01-12 2015-05-13 큐나노 에이비 질화물 나노와이어 및 이의 제조 방법
US20080171424A1 (en) 2007-01-16 2008-07-17 Sharp Laboratories Of America, Inc. Epitaxial growth of GaN and SiC on silicon using nanowires and nanosize nucleus methodologies
JP5341325B2 (ja) 2007-07-25 2013-11-13 日本化学工業株式会社 リチウム二次電池用正極活物質、その製造方法及びリチウム二次電池
WO2009135078A2 (en) 2008-04-30 2009-11-05 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for fabricating optoelectromechanical devices by structural transfer using re-usable substrate
WO2010022064A1 (en) 2008-08-21 2010-02-25 Nanocrystal Corporation Defect-free group iii - nitride nanostructures and devices using pulsed and non-pulsed growth techniques
US9275857B1 (en) 2008-12-19 2016-03-01 Stc.Unm Nanowires, nanowire networks and methods for their formation and use
WO2010100599A1 (en) 2009-03-04 2010-09-10 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Large capacity thin film battery and method for making same
US9502973B2 (en) 2009-04-08 2016-11-22 Infineon Technologies Americas Corp. Buck converter with III-nitride switch for substantially increased input-to-output voltage ratio
CN101621292B (zh) 2009-04-10 2012-05-09 浙江大学 开关电容积分器
JP5299105B2 (ja) 2009-06-16 2013-09-25 ソニー株式会社 二酸化バナジウムナノワイヤとその製造方法、及び二酸化バナジウムナノワイヤを用いたナノワイヤデバイス
WO2011067872A1 (ja) 2009-12-01 2011-06-09 国立大学法人北海道大学 発光素子およびその製造方法
CN102959739B (zh) 2010-12-08 2016-05-18 崇高种子公司 Iii族氮化物半导体器件及其制造方法
GB201021112D0 (en) 2010-12-13 2011-01-26 Ntnu Technology Transfer As Nanowires
WO2012105901A1 (en) 2011-02-01 2012-08-09 Qunano Ab Lithium-ion battery comprising nanowires
US8758480B2 (en) * 2011-09-09 2014-06-24 Torosoleil, Llc Dynamic and continuous control for pressure swing adsorption
US9397260B2 (en) 2011-10-10 2016-07-19 Sensor Electronic Technology, Inc. Patterned layer design for group III nitride layer growth
GB201200355D0 (en) 2012-01-10 2012-02-22 Norwegian Univ Sci & Tech Ntnu Nanowires
JP2013153027A (ja) 2012-01-24 2013-08-08 Fujitsu Ltd 半導体装置及び電源装置
EP2815423B1 (en) 2012-02-14 2017-05-24 Hexagem AB Gallium nitride nanowire based electronics
TWI617045B (zh) 2012-07-06 2018-03-01 晶元光電股份有限公司 具有奈米柱之發光元件及其製造方法
FR3000294B1 (fr) 2012-12-21 2016-03-04 Aledia Support fonctionnel comprenant des nanofils et des nano-empreintes et procede de fabrication dudit support
US9251934B2 (en) 2013-01-11 2016-02-02 Infineon Technologies Ag Method for manufacturing a plurality of nanowires
US8823146B1 (en) 2013-02-19 2014-09-02 Raytheon Company Semiconductor structure having silicon devices, column III-nitride devices, and column III-non-nitride or column II-VI devices
JP2014217252A (ja) 2013-04-30 2014-11-17 三菱電機株式会社 カスコード接続パワーデバイス
JP6175931B2 (ja) 2013-06-21 2017-08-09 富士通株式会社 導電構造及びその製造方法、電子装置及びその製造方法
US9349715B2 (en) 2013-06-21 2016-05-24 Infineon Technologies Americas Corp. Depletion mode group III-V transistor with high voltage group IV enable switch
US9640645B2 (en) 2013-09-05 2017-05-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Semiconductor device with silicide
JP6237038B2 (ja) 2013-09-20 2017-11-29 富士通株式会社 カスコードトランジスタ及びカスコードトランジスタの制御方法
US20150118572A1 (en) 2013-10-29 2015-04-30 Battery Energy Storage Systems-Technologies Solid-state battery and methods of fabrication
GB2520687A (en) 2013-11-27 2015-06-03 Seren Photonics Ltd Semiconductor devices and fabrication methods
CN106133198B (zh) * 2014-04-14 2018-09-21 富士通株式会社 光合成装置
GB201407297D0 (en) 2014-04-25 2014-06-11 Gasp Solar Aps A method of preparing a substrate for nanowire growth, And a method of fabricating an array of semiconductor nanostructures
US9773669B2 (en) 2014-09-11 2017-09-26 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Method of fabricating a nanoribbon and applications thereof
US9406506B2 (en) 2014-11-05 2016-08-02 International Business Machines Corporation Lattice matched aspect ratio trapping to reduce defects in III-V layer directly grown on silicon
US9520466B2 (en) 2015-03-16 2016-12-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Vertical gate-all-around field effect transistors and methods of forming same
CN106549050A (zh) 2015-09-17 2017-03-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 级联增强型hemt器件
US9916985B2 (en) 2015-10-14 2018-03-13 International Business Machines Corporation Indium phosphide smoothing and chemical mechanical planarization processes
WO2017111844A1 (en) 2015-12-24 2017-06-29 Intel Corporation Memory devices including integrated tunnel diode in contact and techniques for forming same
US10128750B2 (en) 2016-03-04 2018-11-13 Infineon Technologies Ag Switched-mode power converter with an inductive storage element and a cascode circuit
US10312082B2 (en) 2016-05-09 2019-06-04 The Regents Of The University Of Michigan Metal based nanowire tunnel junctions
WO2017213644A1 (en) 2016-06-08 2017-12-14 Intel Corporation Monolithic integration of back-end p-channel transistor with iii-n n-channel transistor
US10553712B2 (en) 2017-07-12 2020-02-04 Indian Institute Of Technology High-electron-mobility transistor (HEMT)
JP6816735B2 (ja) * 2018-03-13 2021-01-20 株式会社豊田中央研究所 化学反応用電極、それを用いた化学反応用セル及び化学反応装置
CN112020762B (zh) 2018-04-22 2024-04-26 艾普诺瓦泰克公司 增强型薄膜器件
US10594268B2 (en) 2018-05-18 2020-03-17 Cree, Inc. Switch circuits having integrated overdrive protection and related transmit/receive circuits and MMIC amplifiers
US10535570B1 (en) 2018-06-22 2020-01-14 International Business Machines Corporation Cointegration of III-V channels and germanium channels for vertical field effect transistors
CN110336028B (zh) 2019-04-30 2021-03-30 中国科学院半导体研究所 电池负极材料及其制备方法、锂电池
EP3836227A1 (en) 2019-12-11 2021-06-16 Epinovatech AB Semiconductor layer structure
EP3855530A1 (en) 2020-01-24 2021-07-28 Epinovatech AB Solid-state battery

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US11634824B2 (en) 2023-04-25

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