KR20130129920A - 열로부터 전기 전력을 발생시키기 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
시스템 및 방법은 열로부터 전기 전력을 발생시키도록 동작가능하다. 예시적인 직접 열 전기 변환기 실시예는 적어도, 제1 재결합률을 갖는 제1 재결합 재료와, 제1 재결합 재료에 인접하며 제1 재결합률과 상이한 제2 재결합률을 갖는 제2 재결합 재료와, 제2 재결합 재료에 인접하며 제1 재결합률과 실질적으로 동일한 제3 재결합률을 갖는 제3 재결합 재료를 포함한다. 열의 인가는 제1 재결합 재료와 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제1 전하 캐리어를 생성하고, 제3 재결합 재료와 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제2 전하 캐리어를 생성한다. 제1 전하 캐리어의 이동과 제2 전하 캐리어의 이동이 전기 전류를 발생시킨다.
Description
열(heat)은 용이하게 이용 가능한 에너지원이다. 열은 대기, 흐르는 물, 태양, 혹은 지열 유체와 같은 주변 소스들로부터 구할 수가 있다. 열은 또한 증기 동력 전기 발전, 혹은 산업 제조, 반도체 장치 동작 등과 같은 프로세스의 부산물일 수도 있다.
그러나, 이용 가능한 열 에너지를 전기 전력으로 변환하는 것이 어려웠다. 예컨대, 제너레이터 터빈을 구동하는 증기 등과 같은 2차 유체(a secondary fluid)를 이용하여 전력을 발생시키는데 열이 사용될 수 있다.
종종, 전력 발전소 및 산업 제조 설비에서와 같이 열은 배제되어야만 하는 폐기 부산물로 고려되었다. 열이 폐기 부산물인 경우, 예컨대 폐기 열은 냉각 타워 등을 이용하여 대기 중으로 방산된다.
따라서, 적어도 열 효율을 개선하고 가능하면 시스템 복잡도를 줄이기 위해 이용 가능한 열로부터 전기 전력을 도출하기 위한 필요성이 당해 기술 분야에 존재한다.
직접(direct) 열 전기 변환 시스템 및 방법이 개시된다. 예시적인 실시예는 적어도 제1 재결합률(recombination rate)을 갖는 제1 재결합 재료와, 제1 재결합 재료에 인접하며 제1 재결합률과 상이한 제2 재결합률을 갖는 제2 재결합 재료와, 제2 재결합 재료에 인접하며 제1 재결합률과 실질적으로 동일한 제3 재결합률을 갖는 제3 재결합 재료를 포함한다. 열의 인가는 제1 재결합 재료와 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제1 전하 캐리어를 생성하고, 제3 재결합 재료와 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제2 전하 캐리어를 생성한다. 제2 전하 캐리어는 제1 전하 캐리어와 극성이 반대이다. 제1 전하 캐리어의 이동과 제2 전하 캐리어의 이동이 전기 전류를 발생시킨다.
바람직한 실시예 및 대안의 실시예가 다음의 도면을 참조하여 아래에 상세하게 기재된다.
도 1은 직접 열 전기 변환기의 실시예의 블록도이다.
도 2는 직접 열 전기 변환기의 예시적인 반도체 실시예의 블록도이다.
도 3은 낮은 재결합 재료로부터 포지티브 도핑된 층으로의 이동 전하 캐리어의 이동과, 그 다음 포지티브 도핑된 층으로부터 높은 재결합 재료로의 정공의 동반 이동(attendant migration)을 개념적으로 도시하고 있다.
도 4는 낮은 재결합 재료로부터 네가티브 도핑된 층으로의 이동 전하 캐리어의 이동과, 그 다음 네가티브 도핑된 층으로부터 높은 재결합 재료로의 전자의 동반 이동을 개념적으로 도시하고 있다.
도 5는 직접 열 전기 변환기의 대안의 반도체 실시예의 블록도이다.
도 6은 직접 열 전기 변환기의 대안의 반도체 실시예의 블록도이다.
도 7은 직접 열 전기 변환기의 전기화학 실시예의 블록도이다.
도 1은 직접 열 전기 변환기의 실시예의 블록도이다.
도 2는 직접 열 전기 변환기의 예시적인 반도체 실시예의 블록도이다.
도 3은 낮은 재결합 재료로부터 포지티브 도핑된 층으로의 이동 전하 캐리어의 이동과, 그 다음 포지티브 도핑된 층으로부터 높은 재결합 재료로의 정공의 동반 이동(attendant migration)을 개념적으로 도시하고 있다.
도 4는 낮은 재결합 재료로부터 네가티브 도핑된 층으로의 이동 전하 캐리어의 이동과, 그 다음 네가티브 도핑된 층으로부터 높은 재결합 재료로의 전자의 동반 이동을 개념적으로 도시하고 있다.
도 5는 직접 열 전기 변환기의 대안의 반도체 실시예의 블록도이다.
도 6은 직접 열 전기 변환기의 대안의 반도체 실시예의 블록도이다.
도 7은 직접 열 전기 변환기의 전기화학 실시예의 블록도이다.
도 1은 직접 열 전기 변환기(100)의 시예의 블록도이다. 직접 열 전기 변환기(100)의 실시예는 열원(101)으로부터 열을 받도록 구성되며, 받은 열로부터 전기 전력을 발생시키도록 구성된다. 전기 전력(전류 및 전압)은 부하(104)로 전달 가능하다. 일부 실시예에서, 발생된 전기 전력은 직류(direct current; DC) 형태로 출력된다. 전력 조건 장치를 포함하는 다른 실시예에서, 발생된 전기 전력은 교류(alternating current; AC) 형태로 출력될 수 있다.
다양한 반도체 실시예는 상이한 재료들의 공핍 영역들을 서로에 대해 피팅(pitting)시킴으로써 다이오드의 "빌트인(built-in)" 전위(VD)를 획득하도록 구성된다. 반도체 내의 캐리어 밀도에 대한 전체적인 공식은 수학식 1에서 입증된다.
수학식 1에서, n과 p는 각각 전자 농도 및 정공 농도이고, C는 재료 고유 상수이고, T는 온도(켈빈 단위)이고, Eg는 밴드갭이며, kb는 볼츠만 상수이다. 대기중에서, kb*T는 대략 0.025 eV이다.
도 2는 직접 열 전기 변환기(100)의 예시적인 반도체 실시예(200)의 블록도이다. 예시적인 반도체 실시예(200)는 낮은(low) 재결합 재료(202)(낮은 재결합 반도체 재료라고 상호교환적으로 지칭됨)와 높은(high) 재결합 재료(204)(높은 재결합 반도체 재료라고 상호교환적으로 지칭됨)의 교대 층들을 포함한다. 낮은 재결합 재료(202)와 높은 재결합 재료(204)는 헤테로접합(heterojunction)에서 접합된다.
높은 재결합 재료(204)는 헤테로접합에 인접한 한 종단에서 포지티브 도핑된 층(206a)을 형성하도록 포지티브 도핑 재료로 도핑될 수 있다. 높은 재결합 재료(204)는 다른 헤테로접합에 인접한 다른 종단에서 네가티브 도핑된 층(208a)을 형성하도록 네가티브 도핑 재료로 도핑될 수 있다. 따라서, 도핑되지 않은 (그리고 이에 따라 포지티브 도핑된 층(206a)과 네가티브 도핑된 층(208a)의 반대측에 있음) 높은 재결합 재료(204)의 층이 남게 된다.
낮은 재결합 재료(202)는 또한 헤테로접합에 인접한 한 종단에서 포지티브 도핑된 층(206b)을 형성하도록 포지티브 도핑 재료로 도핑될 수 있다. 낮은 재결합 재료(202)는 또한 다른 헤테로접합에 인접한 다른 종단에서 네가티브 도핑된 층(208b)을 형성하도록 네가티브 도핑 재료로 도핑될 수 있다. 따라서, 도핑되지 않은 낮은 재결합 재료(202)의 층이 남게 된다.
도 2에서 예시된 바와 같이, 높은 재결합 재료(204)와 낮은 재결합 재료(202)는 포지티브 도핑된 층(206a/b) 또는 네가티브 도핑된 층(208a/b)에 의해 분리된다. 전자는 네가티브 도핑된 층(208a/b)을 통해 헤테로접합을 가로질러 이동할 수 있다. 정공은 포지티브 도핑된 층(206a/b)을 통해 헤테로접합을 가로질러 이동할 수 있다. (헤테로접합을 횡단하는 것으로 표시되는) 전자 및/또는 정공 이동, 확산, 및 열 방출은 본 명세서에서의 용어 "이동"에 대해 상호교환적으로 이용될 수 있다.
포지티브 단자(210)와 네가티브 단자(212)는 발생된 DC 전기 전력의 전달을 위한 부착점(쇼토키 접점 등)을 제공한다. 대안의 실시예에서, 선택적 포지티브 도핑된 층(214) 및/또는 선택적 네가티브 도핑된 층(216)은 단자(210, 212)와의 오믹 유형의 접촉을 제공하도록 각각 낮은 재결합 재료(202) 및/또는 높은 재결합 재료(204)의 종단에 포함될 수 있다.
임의의 적절한 낮은 재결합 재료(202)와 높은 재결합 재료(204)가 이용될 수 있다. 임의의 적절한 도핑 재료 유형, 도핑 층 깊이, 및/또는 불순물 농도가 다양한 실시예에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상이한 도핑 재료가 이용될 수 있다.
낮은 재결합 재료(202), 높은 재결합 재료(204), 포지티브 도핑된 층(206a/b), 및 네가티브 도핑된 층(208a/b)은 반도체 유형 재료이며, 전도대와 가전자대 사이의 밴드갭은 (절연체 유형 재료와 비교해서) 상대적으로 작다. 높은 재결합 재료(204)에서, 전자와 정공은 낮은 재결합 재료(202)에 비교하여 보다 쉽게 재결합되거나, 소멸될 수 있다. 전자와 정공이 재결합하는 비율이 각각 전도대 및 가전자대에서의 전자 농도 및 정공 농도에 반비례하기 때문에, 높은 재결합 재료(204)와 비교해서, 낮은 재결합 재료(202)는 임의의 주어진 온도에서 상대적으로 더 많은 자유 전자 및 정공을 가진다. 따라서, (높은 재결합 재료(204)와 비교해서) 낮은 재결합 재료(202)로부터 이동하도록 이용가능한 비교적 많은 수의 자유 전자와 정공이 있다. 반도체 실시예(200)에서 원하는 전류 및/또는 전압을 달성하도록 관심있는 비교적 높고 낮은 재결합율을 갖는 선택된 재료를 사용하여 다양한 실시예가 생성될 수 있다.
반도체 재료(202, 204, 206a/b, 및/또는 208a/b)에 열 에너지가 인가되거나 전달될 때, 이동 전하 캐리어(전자)는 자신의 가전자대로부터 각자의 전도대로 이동할 수 있다. 전자가 그의 전도대로 이동하면, 전자는 인접한 원자 또는 분자의 전도대로 용이하게 이동할 수 있다. 전자에 의해 생성되는 관련 정공도 또한 인접한 원자 또는 분자로 용이하게 이동할 수 있는 이동 전하 캐리어이다.
전자와 정공 쌍의 재결합을 저항하는 경향이 있는 낮은 재결합 재료(202)의 고유 성질로 인해 낮은 재결합 재료(202)의 이동 전하 캐리어(전자)는 전도대에 남으려는 경향이 있다. 따라서, 낮은 재결합 재료(202)의 이동 전하 캐리어가 인접한 원자 또는 분자의 다른 전도대로 이동하는 것이 비교적 쉽다.
이와 달리, 높은 재결합 재료(204)로 이동한 전자 및/또는 정공은 재결합하는 경향이 있다. 전자 및/또는 정공의 재결합을 용이하게 하는 경향이 있는 높은 재결합 재료(204)의 고유 성질로 인해, 전자 이동 전하 캐리어는 전도대로부터 가전자대의 이용 가능한 정공으로 떨어지게 된다. 즉, 전도대 내의 전자가 가전자대의 정공과 재결합하는 것이 비교적 쉽다.
직접 열 전기 변환기(100)의 반도체 실시예(200)에서 총 전기 전류 흐름 및 수반되는 전압을 유도(생성)하는 방식으로 이동 전하 캐리어(전자 및/또는 정공)의 이동이 지향되고, 안내되고, 제한되고, 및/또는 강요될 수 있다. 이어서, 단자(210, 212)에서 이용가능한 전류 및 전압이 부하(104)(도 1)에 제공될 수 있다.
도 3은, 낮은 재결합 재료(202)로부터 포지티브 도핑된 층(206a/b)으로의 이동 전하 캐리어(전자 및 정공)의 이동 및 그 다음 포지티브 도핑된 층(206a/b)으로부터 높은 재결합 재료(204)로의 정공의 동반 이동(attendant migration)을 개념적으로 예시하는 반도체 실시예(200)의 부분(214)을 나타낸다. 도 4는, 낮은 재결합 재료(202)로부터 네가티브 도핑된 층(208a/b)으로의 이동 전하 캐리어(전자 및 정공)의 이동 및 그 다음 네가티브 도핑된 층(208a/b)으로부터 높은 재결합 재료(204)로의 전자의 동반 이동을 개념적으로 예시하는 반도체 실시예(200)의 부분(216)을 나타낸다. 도 3 및 도 4에서, 정공은 개념적으로 "
"로 도시되어 있고, 전자는 개념적으로 " 
"로 도시되어 있다. 정공은 전자와 극성이 반대이다.
포지티브 도핑된 층(206a/b)은, 포지티브 도핑된 층(206a/b) 내의 비교적 다수의 정공이 되는 불순물에 의해 제조되는 반도체 층이다. 도 3에 개념적으로 도시된 바와 같이, 이동 전하 캐리어(전자 및/또는 정공)가 인접한 낮은 재결합 재료(202)로부터 포지티브 도핑된 층(206a/b)으로 이동할 때, 이동하는 전자들은 각각 포지티브 도핑된 층(206a/b)의 정공을 밀어내거나 정공과 재결합하는 경향이 있다. 그러나, 낮은 재결합 재료(202)로부터의 이동하는 정공은 포지티브 포지티브 도핑된 층(206a/b)을 통해 높은 재결합 재료(204)로 이동하는 경향이 있다. 낮은 재결합 재료(202)로부터 포지티브 도핑된 층(206a/b)을 통해 그 다음 높은 재결합 재료(204)로의 정공의 이러한 순 이동(net movement)은 전류 및 전압을 발생시키게 된다.
네가티브 도핑된 층(208a/b)은, 네가티브 도핑된 층(208a/b) 내의 비교적 다수의 전자가 되는 불순물에 의해 제조된다. 도 4에 개념적으로 도시된 바와 같이, 이동 전하 캐리어(전자 및/또는 정공)가 인접한 낮은 재결합 재료(202)로부터 네가티브 도핑된 층(208a/b)으로 이동할 때, 이동하는 정공들은 각각 네가티브 도핑된 층(208a/b)의 전자를 밀어내거나 전자와 재결합하는 경향이 있다. 그러나, 낮은 재결합 재료(202)로부터의 이동하는 전자는 네가티브 도핑된 층(208a/b)을 통해 높은 재결합 재료(204)로 이동하는 경향이 있다. 낮은 재결합 재료(202)로부터 네가티브 도핑된 층(208a/b)을 통해 그 다음 높은 재결합 재료(204)로의 전자의 이러한 순 이동은 전류 및 전압을 발생시키게 된다.
포지티브 도핑된 층(206a/b)을 통해 높은 재결합 재료(204)로 이동하는 정공은 네가티브 도핑된 층(208a/b)을 통해 높은 재결합 재료(204)로 이동하는 전자와 결합하는 경향이 있다. 전자 및 정공이 높은 재결합 재료(204)에서 재결합하기 때문에, 추가적인 이동 전하 캐리어(전자 및/또는 정공)가 높은 재결합 재료(204)로 더욱 이동하는 경향이 있다. 충분한 열 에너지가 이동 전하 캐리어를 발생시키기 위해 낮은 재결합 재료(202)에서 이용 가능한 동안, 높은 재결합 재료(204)로 향하는 이동 전하 캐리어의 지속적인 이동은 지속 가능한 전류 및 전압을 발생시키고, 부하가 존재하여 그 전류를 흡수한다. 부하가 존재하지 않으면, 최대 개방 회로 전압에 도달할 것이고, 순 이동은 0으로 감소한다.
도 5는 직접 열 전기 변환기(100)의 대안의 반도체 실시예(500)의 블록도이다. 반도체 실시예(500)는 포지티브 도핑된 층(206a/b) 또는 네가티브 도핑된 층(208a/b) 중 어느 하나의 층에 의해 분리되는 높은 재결합 재료(204) 및 낮은 재결합 재료(202)의 교대 층들을 포함한다. 포지티브 단자(210) 및 네가티브 단자(212)는 발생된 DC 전기 전력의 전달을 위한 부착점을 제공한다. 대안의 실시예에서, 포지티브 도핑된 층 및/또는 네가티브 도핑된 층(도시되지 않음)은 반도체 재료의 끝 부분의 재료 재결합 유형에 따라 반도체 실시예(500)의 끝에 선택적으로 포함될 수 있다.
도 6은 직접 열 전기 변환기(100)의 대안의 반도체 실시예(600)의 블록도이다. 반도체 실시예(600)는 포지티브 도핑된 층(206a/b) 또는 네가티브 도핑된 층(208a/b) 중 어느 하나의 층에 의해 분리되는 높은 재결합 재료(204) 및 낮은 재결합 재료(202)의 복수의 교대 층들을 포함한다. 포지티브 단자(210) 및 네가티브 단자(212)는 발생된 DC 전력의 전달을 위한 부착점을 제공한다. 대안적인 실시예에서, 포지티브 도핑된 층(214) 및/또는 네가티브 도핑된 층(216)은 반도체 재료의 끝 부분의 재료 재결합 유형에 따라 반도체 실시예(200)의 끝에 선택적으로 포함될 수 있다.
높은 재결합 재료(204) 및 낮은 재결합 재료(202)의 복수의 교대 층들은 단자(210, 212)에서 더욱 높은 전압 및/또는 전류의 발생을 가능하게 한다. 따라서, 반도체 실시예(500)의 설계 및 제조는 관심 있는 임의의 적합한 전압 및/또는 전류를 제공하도록 제작될 수 있다. 반대 단자에 이용되는 재료를 고려하지 않고, 어느 재료든 한 단자에서 이용될 수 있다.
일부 애플리케이션에서, 반도체 실시예들(200, 500, 600)의 그룹은 관심 있는 전압 및/또는 전류를 더 제공하도록 병렬 및/또는 직렬 연결 구성으로 정렬될 수 있다. 따라서, 일부 반도체 실시예들(200, 500, 600)은 낮은 전압 및/또는 낮은 전류 부하(400)를 소싱(source)하도록 구성될 수 있다. 다른 반도체 실시예들(200, 500, 600)은 높은 전압 및/또는 높은 전류 부하(104)를 소싱하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들은 공익 기업체 전력 그리드 또는 사설 전력 시스템에서 이용되는 전력 발생 스테이션을 보충, 또는 심지어 대체하도록 구성될 수 있다. 폐열이 가능한 경우, 반도체 실시예들(200, 500, 600)은 에너지 절약, 녹색 전력, 및/또는 공동 발전을 위해 이용될 수 있다.
작업 반도체 실시예(600)에서, n 도핑된 GaAs 웨이퍼 상에서 0.50 AlGaAs (50% Al) 및 0.33 AlGaAs (30% Al)가 교대하는, 각각이 0.25 um 두께인, 21개의 전체 층(10.5 쌍)을 갖고 분자 빔 에피택시를 이용하여 3인치 웨이퍼가 제조되었다. 각 층의 상부 및 하부 10% (25 nm)는 각각의 헤테로접합에서 교대 도핑으로 1.0E+18으로 도핑되었다. 단자(210, 212)가 최종 웨이퍼의 상부 및 하부에 증착되어 어닐링되었다. 표 1은 작업 반도체 실시예(600)에 대한 측정된 테스트 성능 결과를 나타낸다.
| 온도 (F) | 전압 (mV) | 전류 (㎂) |
| 250 | 0.026 | 0.04 |
| 300 | 0.051 | 0.11 |
| 350+/-25 (주기적) | 0.03 ~ 0.72 | |
| 450+/-25 (주기적) | 0.27 ~ 1.95 | |
| 550+/-25 (주기적) | 0.40 ~ 3.07 |
일반적으로, 간접 및 직접 반도체 재료 간의 분배는 약 41~43%이다. 더 높은 것이 간접이고, 더 낮은 것이 직접이다. 정확한 퍼센티지 AL 수는 온도 및 제조법에 따라 변할 수 있다. 예시적인 실시예는 실질적으로 50% AL 및 실질적으로 30% AL에서 제조되었다. AlGaAs를 이용하여 제조된 대안의 실시예에서는 50% AL보다 더 크고 33% AL보다 더 낮은 퍼센티지가 채용될 수 있다.
반도체 실시예(200, 500, 600)는 임의의 적합한 반도체 제조 공정을 이용하여 쉽게 제조될 수 있다. 또한, 임의의 적합한 반도체 재료가 직접 열 전기 변환기(100)의 제조에서 사용될 수 있다. 다른 비한정적인 반도체 재료의 예로는 Ge, Hg1-xCdxTe, SiGe 초격자(superlattice), InxGa1 - xSb, GaSb, PbS, PbSe, 또는 PbTe를 포함하지만, 그것에 한정되지는 않는다. InxGa1 - xSb/BiySb1 -y를 포함한 간접 내로우 갭(narrow-gap) 초격자 재료가 사용될 수 있다.
2개의 반도체가 모두 직접(또는 간접)일 때에도 그들은 여전히 상이한 재결합률을 가질 수 있다. 특히 상이한 재결합률을 나타내는, 상이한 유효 상태 밀도(Densities of State)를 갖는 내로우 갭 직접 반도체가 흥미롭다. 상이한 상태 밀도 값이 출력 전류 및/또는 전압을 제어하기 위해 반도체 층의 제조에 선택적으로 사용될 수 있다. 특히, 황화 납(Lead Sulfide; PbS) 및 텔루르화 납(Lead Telluride; PbTe)은 주위 온도에서 상당한 차이(예를 들면, 1.6의 팩터)를 갖는다. 일반적으로, 구조체에서 함께 성장될 수 있는, 좁은 밴드갭 및 동등하지 않은 재결합률을 갖는 임의의 재료 쌍이 반도체 실시예(200, 500, 600)에서 사용될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반도체 층 및/또는 도핑 층의 두께는 출력 전류 및/또는 전압을 제어하기 위해 변할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 추가의 층들이, 성능에 부정적인 영향을 주지 않고, 도핑된 영역 내의 금속 층과 같이 재료들 사이에 삽입될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 헤테로접합은 도핑 층(208a/b) 사이의 중심이 되거나, 또는 실질적으로 중심이 된다. 다른 실시예에서, 헤테로접합이 중심이 되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서는, 헤테로접합이 도핑된 층(208a/b) 외측에 위치될 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 캐리어의 비율은 도핑의 효과에 의해 지배적으로 남을 수 있다. 또한, 그러한 실시예에서 도핑된 층(208a/b) 중 하나는 본질적으로(inherently) 생략될 수 있다.
도 6은 직접 열 전기 변환기(100)의 대안적인 반도체 실시예(600)의 블록도이다. 반도체 실시예(600)는 포지티브 도핑된 층(206a/b) 또는 네가티브 도핑된 층(208a/b) 중 어느 하나에 의해 분리되는 높은 재결합 재료(204)과 낮은 재결합 재료(202)의 복수의 교대 층들을 포함한다. 포지티브 단자(210) 및 네가티브 단자(212)는 발생된 DC 전기 전력의 전달을 위한 부착점을 제공한다. 대안의 실시예에서, 포지티브 도핑된 층(214) 및/또는 네가티브 도핑된 층(216)은 반도체 재료의 끝 부분의 재료 재결합 유형에 따라 반도체(200)의 끝에 선택적으로 포함될 수 있다.
도 7은 직접 열 전기 변환기(100)의 전기화학적 실시예(700)의 블록도이다. 전기화학적 실시예(700)는 높은 재결합 재료(704) 및 낮은 재결합 재료의 복수의 교대 층들을 둘러싸는 인클로저(enclosure)(702)를 포함한다. 낮은 재결합 재료는 음이온 멤브레인(706)과 양이온 멤브레인(708)을 서로 접촉시킴으로써 협력적으로 형성되다. 포지티브 단자(210) 및 네가티브 단자(212)는 발생된 DC 전기 전력의 전달을 위한 부착점을 제공한다.
예시적인 실시예에 있어서, 높은 재결합 재료(704)는 물이다. 바람직하게, 높은 재결합 재료(704)의 물은 순수하거나, 또는 실질적으로 순수하다. 일부 실시예에서, 재결합을 조정하기 위해 화학 첨가제들이 첨가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 또다른 유형의 높은 재결합 용액 또는 재료가 높은 재결합 재료(704)에 이용될 수 있다.
열 에너지가 전기화학 실시예(700)에 가해질 때, 음이온 멤브레인(706)과 양이온 멤브레인(708)에 의해 협동적으로 형성된 낮은 재결합 재료에서 포지티브 전하 캐리어와 네가티브 전하 캐리어가 생성된다. 양이온 멤브레인(708)으로부터 물속으로 이동하는 네가티브 전하 캐리어는 물의 반대측에 위치한 음이온 멤브레인(706)으로부터 물속으로 이동하는 포지티브 전하 캐리어와 재결합한다.
예시적인 전기화학 실시예(700)에서, 포지티브 전하 캐리어는 수소 이온(H+)이다. 수소 이온은 각자의 높은 재결합 재료(704), 즉 물을 향해 이동한다. 전기화학 실시예(700)에서의 네가티브 전하 캐리어는 수산화 이온(OH-)이다. 수산화 이온은 또한 각자의 높은 재결합 재료(704), 즉 물을 향해 이동한다. 이러한 포지티브 전하의 수소 이온의 움직임, 그리고 수산화 이온의 상반된 움직임은 전기화학 실시예(700)를 가로지르는 전하의 순이동(net migration)을 일으키고, 그 결과 전류와 전압을 발생시킨다. 수소 이온은 수산화 이온과는 극성이 반대이다.
임의의 적절한 음이온 교환 멤브레인 재료가 음이온 멤브레인(706)에 이용될 수 있다. 임의의 적절한 양이온 교환 멤브레인 재료가 양이온 멤브레인(708)에 이용될 수 있다. 예시적인 작업 실시예는 CMI-7002 양이온 교환 멤브레인과 샌드위치된 AMI-7001S 음이온 교환 멤브레인을 채택했다. 트레이(702)에 아홉 개의 멤브레인 쌍들이 배열되었고 높은 재결합 재료(704)로서 증류수가 이용되었다.
예시적인 실시예에서, 포지티브 단자(210) 근처의 인클로저(702)로부터 수소가 배출되었다. 일부 실시예들에서, 인클로저(702)는 다른 화학 또는 전기화학 공정에서 이용하기 위해 배출 수소를 포획하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 네가티브 단자(212) 근처의 인클로저(702)로부터 산소가 배출되었다. 몇몇의 실시예들에서, 인클로저(702)는 다른 화학 또는 전기화학 공정에서 이용하기 위해 배출 산소를 포획하도록 구성될 수 있다.
높은 재결합 재료(704)로서 물을 이용하는 전기화학 실시예(700)에서, 배출 수소 및 산소는 물을 고갈시킨다. 따라서, 전기화학 실시예(700)의 이용가능한 수명을 연장시키기 위해 물이 때때로 첨가될 필요가 있을 수 있다.
앞서 설명한 직접 열 전기 변환기(100)의 실시예들은 본 발명의 구현들의 단순한 잠재적인 예시들에 불과하다는 것이 강조되어야 한다. 앞서 설명한 실시예들에 대해 많은 변형들과 수정들이 취해질 수 있다. 이러한 모든 수정들 및 변형들은 다음의 청구범위들에 의해 보호되고 본 발명개시의 범위 내에 포함되는 것으로 한다.
100: 직접 열 전기 변환기
102: 열원
104: 부하
102: 열원
104: 부하
Claims (19)
- 직접 열 전기 변환기(direct thermal electric converter)에 있어서,
제1 재결합률(recombination rate)을 갖는 제1 재결합 재료;
상기 제1 재결합 재료에 인접하며, 상기 제1 재결합률과 상이한 제2 재결합률을 갖는 제2 재결합 재료; 및
상기 제2 재결합 재료에 인접하며, 상기 제1 재결합률과 실질적으로 동일한 제3 재결합률을 갖는 제3 재결합 재료를 포함하고,
열의 인가는 상기 제1 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제1 전하 캐리어를 발생시키고,
열의 인가는 상기 제3 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제2 전하 캐리어를 발생시키며, 상기 제2 전하 캐리어는 상기 제1 전하 캐리어와 극성이 반대이고,
상기 제1 전하 캐리어의 이동과 상기 제2 전하 캐리어의 이동이 전기 전류를 발생시키는 것인 직접 열 전기 변환기. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 재결합 재료 및 상기 제3 재결합 재료는 낮은 재결합 재료이고, 상기 제2 재결합 재료는 높은 재결합 재료인 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제1 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료는 제1 헤테로접합(heterojunction)에서 접합되며, 상기 제2 재결합 재료와 상기 제3 재결합 재료는 제2 헤테로접합에서 접합되고,
상기 제1 재결합 재료는,
상기 제1 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층; 및
상기 제1 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층의 반대측에 상기 제1 재결합 재료에 인접한 낮은 재결합 반도체 재료 층
을 포함하고,
상기 제2 재결합 재료는,
상기 제1 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층;
상기 제2 헤테로접합에 인접한 포지티브 도핑된 반도체 층; 및
상기 제2 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층과 상기 제2 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층 사이의 높은 재결합 반도체 층
을 포함하고,
상기 제3 재결합 재료는,
상기 제2 헤테로접합에 인접한 포지티브 도핑된 반도체 층; 및
상기 제3 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층의 반대측에 상기 제3 재결합 재료에 인접한 낮은 재결합 반도체 재료
를 포함하고,
열을 받는 것에 대응하여, 적어도 상기 제1 재결합 재료의 낮은 재결합 반도체 재료 층 내에서 전자가 발생되며, 상기 전자는 상기 제1 및 제2 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층들을 통해 이동하고,
열을 받는 것에 대응하여, 적어도 상기 제3 재결합 재료의 낮은 재결합 반도체 재료 층 내에서 정공이 발생되며, 상기 정공은 상기 제3 및 제2 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층들을 통해 이동하고,
상기 전자의 이동과 상기 정공의 이동이 전기 전류를 발생시키는 것인 직접 열 전기 변환기. - 청구항 3에 있어서, 상기 제1 헤테로접합은 상기 제1 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층과 상기 제2 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층 사이의 중심에 있는 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제2 헤테로접합은 상기 제2 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층과 상기 제3 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층 사이의 중심에 있는 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층의 두께는 상기 제2 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층의 두께와 상이한 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1 재결합 재료 및 상기 제3 재결합 재료는 Al이 실질적으로 50%인 AlGaAs를 포함하고, 상기 제2 재결합 재료는 Al이 실질적으로 30%인 AlGaAs를 포함하는 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제1 재결합 재료는,
상기 제2 재결합 재료와 접촉하며 이에 인접한 제1 양이온 멤브레인; 및
상기 제1 양이온 멤브레인과 접촉하며 이에 인접한 제1 음이온 멤브레인
을 포함하고,
상기 제2 재결합 재료는 적어도 물을 포함하고,
상기 제3 재결합 재료는,
상기 제2 재결합 재료와 접촉하며 이에 인접한 제2 음이온 멤브레인; 및
상기 제2 양이온 멤브레인과 접촉하며 이에 인접한 제2 양이온 멤브레인
을 포함하고,
열을 받는 것에 대응하여, 수산화 이온이 발생되며, 상기 제1 재결합 재료로부터 상기 제2 재결합 재료로 이동하고,
열을 받는 것에 대응하여, 수소 이온이 발생되며, 상기 제3 재결합 재료로부터 상기 제2 재결합 재료로 이동하고,
상기 수산화 이온의 이동과 상기 수소 이온의 이동이 전기 전류를 발생시키는 것인 직접 열 전기 변환기. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 재결합 재료 및 상기 제3 재결합 재료는 높은 재결합률을 갖는 높은 재결합 반도체 재료이고, 상기 제2 재결합 재료는 낮은 재결합률을 갖는 낮은 재결합 반도체 재료인 것인 직접 열 전기 변환기.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제1 재결합 반도체 재료와 상기 제2 재결합 반도체 재료는 제1 헤테로접합에서 접합되고, 상기 제1 헤테로접합에 인접한 상기 제1 재결합 반도체 재료의 일부는 포지티브 도핑되며, 상기 제1 헤테로접합에 인접한 상기 제2 재결합 반도체 재료의 일부는 포지티브 도핑되고,
상기 제3 재결합 반도체 재료와 상기 제2 재결합 반도체 재료는 제2 헤테로접합에서 접합되고, 상기 제2 헤테로접합에 인접한 상기 제3 재결합 반도체 재료의 일부는 네가티브 도핑되며, 상기 제2 헤테로접합에 인접한 상기 제2 재결합 반도체 재료의 일부는 네가티브 도핑되는 것인 직접 열 전기 변환기. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 재결합 재료에 인접하며, 상기 제2 재결합률과 실질적으로 동일한 제4 재결합률을 갖는 제4 재결합 재료; 및
상기 제4 재결합 재료에 인접하며, 상기 제1 재결합률과 실질적으로 동일한 제5 재결합률을 갖는 제5 재결합 재료를 더 포함하고,
열의 인가는 상기 제5 재결합 재료와 상기 제4 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제1 전하 캐리어를 발생시키고,
열의 인가는 상기 제4 재결합 재료와 상기 제1 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 제2 전하 캐리어를 발생시키는 것인 직접 열 전기 변환기. - 직접 열 전기 변환기를 사용하여 전기 전류를 발생시키는 방법에 있어서,
직접 열 전기 변환기에 열을 인가하는 단계로서, 상기 직접 열 전기 변환기는 적어도, 제1 재결합률을 갖는 제1 재결합 재료, 상기 제1 재결합 재료에 인접하며 제2 재결합률을 갖는 제2 재결합 재료, 및 상기 제2 재결합 재료에 인접하며 제3 재결합률을 갖는 제3 재결합 재료를 포함하고, 상기 제2 재결합률은 상기 제1 재결합률과 상이하고, 상기 제3 재결합률은 상기 제1 재결합률과 실질적으로 동일한 것인, 단계; 및
상기 직접 열 전기 변환기로부터 부하에 전기 전류를 공급하는 단계를 포함하고,
열의 인가는 상기 제1 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 네가티브 전하 캐리어를 발생시키고,
열의 인가는 상기 제3 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료 사이에 이동하는 적어도 포지티브 전하 캐리어를 발생시키며,
상기 포지티브 전하 캐리어의 이동과 상기 네가티브 전하 캐리어의 이동이 상기 직접 열 전기 변환기로부터 부하에 공급되는 전기 전류를 발생시키는 것인, 직접 열 전기 변환기를 사용하여 전기 전류를 발생시키는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 제1 재결합 재료, 상기 제2 재결합 재료, 및 상기 제3 재결합 재료는 반도체 재료이고,
상기 제1 재결합 재료와 상기 제2 재결합 재료는 제1 헤테로접합에서 접합되며, 상기 제2 재결합 재료와 상기 제3 재결합 재료는 제2 헤테로접합에서 접합되고,
상기 제1 헤테로접합에 각각 인접한 상기 제1 재결합 재료의 일부와 상기 제2 재결합 재료의 제1 부분은 네가티브 도핑되며, 상기 제2 헤테로접합에 각각 인접한 상기 제3 재결합 재료의 일부와 상기 제2 재결합 재료의 제2 부분은 포지티브 도핑되고,
열의 인가에 의해 발생된 네가티브 전하 캐리어는 전자이며, 열의 인가에 의해 발생된 포지티브 전하 캐리어는 정공인 것인, 직접 열 전기 변환기를 사용하여 전기 전류를 발생시키는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 제2 재결합 재료는 물을 포함하고;
상기 제1 재결합 재료는,
상기 제2 재결합 재료와 접촉하며 이에 인접한 제1 양이온 멤브레인; 및
상기 제1 양이온 멤브레인과 접촉하며 이에 인접한 제1 음이온 멤브레인
을 포함하고,
상기 제1 재결합 재료는,
상기 제2 재결합 재료와 접촉하며 이에 인접한 제2 음이온 멤브레인; 및
상기 제2 양이온 멤브레인과 접촉하며 이에 인접한 제2 양이온 멤브레인
을 포함하고,
열의 인가에 의해 발생된 네가티브 전하 캐리어는 수산화 이온이며, 열의 인가에 의해 발생된 포지티브 전하 캐리어는 수소 이온인 것인, 직접 열 전기 변환기를 사용하여 전기 전류를 발생시키는 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 직접 열 전기 변환기로부터 나온 수소 이온을 모으는 단계를 더 포함하는, 직접 열 전기 변환기를 사용하여 전기 전류를 발생시키는 방법. - 직접 열 전기 변환기에 있어서,
제1 낮은 재결합 재료로서, 제1 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층, 및 상기 제1 낮은 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층의 반대측에 상기 제1 낮은 재결합 재료에 인접한 낮은 재결합 반도체 재료 층을 포함하는, 제1 낮은 재결합 재료;
높은 재결합 재료로서, 상기 제1 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층, 제2 헤테로접합에 인접한 포지티브 도핑된 반도체 층, 및 상기 높은 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층과 상기 높은 재결합 재료의 포지티브 도핑된 반도체 층 사이의 높은 재결합 반도체 층을 포함하는, 높은 재결합 재료; 및
제2 낮은 재결합 재료로서, 상기 제2 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층, 및 상기 제2 낮은 재결합 재료의 네가티브 도핑된 반도체 층의 반대측에 상기 제2 낮은 재결합 재료에 인접한 낮은 재결합 반도체 층을 포함하는, 제2 낮은 재결합 재료를 포함하고,
열을 받는 것에 대응하여, 적어도 상기 제1 낮은 재결합 재료의 낮은 재결합 반도체 재료 층 내에서 전자가 발생되며, 상기 전자는 상기 네가티브 도핑된 반도체 층들을 통해 이동하고,
열을 받는 것에 대응하여, 적어도 상기 제2 낮은 재결합 재료의 낮은 재결합 반도체 재료 층 내에서 정공이 발생되며, 상기 정공은 상기 포지티브 도핑된 반도체 층들을 통해 이동하고,
상기 전자의 이동과 상기 정공의 이동이 전기 전류를 발생시키는 것인, 직접 열 전기 변환기. - 청구항 16에 있어서, 상기 제1 낮은 재결합 재료는,
상기 낮은 재결합 반도체 재료 층에 인접한 포지티브 도핑된 층을 더 포함하고, 상기 포지티브 도핑된 층은 상기 직접 열 전기 변환기의 포지티브 단자와 오믹 유형의 접촉을 형성하는 것인, 직접 열 전기 변환기. - 청구항 16에 있어서, 상기 제2 낮은 재결합 재료는,
상기 낮은 재결합 반도체 재료 층에 인접한 네가티브 도핑된 층을 더 포함하고, 상기 네가티브 도핑된 층은 상기 직접 열 전기 변환기의 네가티브 단자와 오믹 유형의 접촉을 형성하는 것인, 직접 열 전기 변환기. - 청구항 16에 있어서,
복수의 다른 낮은 재결합 재료 층과 교대로 적층된 복수의 다른 높은 재결합 재료 층을 더 포함하고, 상기 다른 높은 재결합 재료 층과 상기 다른 낮은 재결합 재료 층의 교대의 층들은 각각의 헤테로접합에서 접합되고,
상기 다른 높은 재결합 재료 층 및 상기 다른 낮은 재결합 재료 층의 각각은,
각각의 헤테로접합에 인접한 네가티브 도핑된 반도체 층;
반대의 각각의 헤테로접합에 인접한 포지티브 도핑된 반도체 층; 및
상기 네가티브 도핑된 반도체 층과 상기 포지티브 도핑된 반도체 층 사이의 높은 재결합 반도체 층
을 포함하는 것인, 직접 열 전기 변환기.
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