[發(fā)明專利]一種基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機及其制備方法

有效

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• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109672367B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林時勝;陸陽華;郝珍珍;馮思睿;沈閏江
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00
• 代理公司: 33200 杭州求是專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發(fā)明涉及新型綠色可再生能源獲取技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，主要由兩種具有不同費米能級的半導體材料構(gòu)成，兩種半導體層之間相互移動即可得到直流電信號輸出。本發(fā)明的基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，PN半導體接觸即形成一個內(nèi)建電勢，在內(nèi)建電場的作用下，結(jié)區(qū)內(nèi)PN結(jié)橫向移動產(chǎn)生的擴散電荷會定向分離，產(chǎn)生電流，從而將外界的機械能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，可以為各種電子設(shè)備和產(chǎn)品提供可再生、清潔能源。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機、納米發(fā)電機相比，本發(fā)電機電流密度極高，且絕緣層可以提高發(fā)電電壓。所需材料簡單且不需要外加整流電路就能輸出直流電信號，工藝流程和器件結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機及其制備方法，屬于新型綠色可再生能源獲取技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在電子產(chǎn)品快速發(fā)展和環(huán)境污染、能源危機問題日益嚴峻的今天，人們開始尋求一種微型、可便攜的綠色清潔能源來替代傳統(tǒng)的鋰電池，為電子設(shè)備提供能量。近些年來，作為一種新型、可再生、微型便攜的綠色能源器件，納米發(fā)電機逐漸進入人們的視野，成為研究領(lǐng)域和應(yīng)用層面中的新星，引起了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。納米發(fā)電機可以將自然界中的多種天然、綠色能量，例如：風能、機械能、潮汐能等等，轉(zhuǎn)化為電能輸出，從而可以為電子設(shè)備提供能量，不受環(huán)境因素的限制，在很大程度上可以減小環(huán)境污染問題帶來的負面影響，并緩解能源危機。

2006年提出的壓電發(fā)電機以及2012年提出的摩擦發(fā)電機近年來飛速發(fā)展，但受限于材料、結(jié)構(gòu)以及工作原理，發(fā)電的電流以及功率還不夠高且輸出的是交流電信號。在本發(fā)明中，我們利用兩種具有不同費米能級的半導體材料之間的相互接觸移動，得到了基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，減少了對材料、結(jié)構(gòu)以及工作原理的限制。在PN結(jié)結(jié)區(qū)的極強內(nèi)建電場的作用下，可以得到極高的電流密度；且絕緣層可以提高發(fā)電電壓。不需要外加整流電路即可輸出直流電信號，工作穩(wěn)定，工藝步驟和器件結(jié)構(gòu)簡單。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機及其制備方法。

本發(fā)明的基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，該直流發(fā)電機包括兩部分，一部分為第一種半導體層，在其背面設(shè)有第一電極，正面設(shè)有一層絕緣層；另一部分為第二種半導體層，在其一側(cè)設(shè)有第二電極，第一種半導體層的正面與第二種半導體層的裸露側(cè)相互接觸并可相對滑動，形成動態(tài)的PN結(jié)直流發(fā)電機，所述的第一種半導體層以及第二種半導體層所用材料的費米能級不同。

上述技術(shù)方案中，所述的第一種半導體層和第二種半導體層為硅、砷化鎵、銦鎵砷、氧化鋅、鍺、氮化硅、碲化鎘、氮化鎵或者磷化銦等半導體材料中的一種，且兩種材料的費米能級不同。

所述的絕緣層是二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氮化硼等絕緣材料中的一種，厚度不超過500nm。

所述的第一電極與第二電極均選自金、鈀、銀、銅、鈦、鉻、鎳、鉑和鋁中的一種或者幾種的復合電極，厚度為1-500nm。

所述的基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，可以將風能、潮汐能、機械能、海洋能等中的一種轉(zhuǎn)換為電信號。

所述的基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，產(chǎn)生的電信號為直流電信號，且電流密度極高，比其他納米發(fā)電機高幾個數(shù)量級。

制備上述的基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機的方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)在第一種半導體層背面制作第一電極；

2)在第一種半導體層正面生長一層絕緣層；

3)在第二種半導體層背面制作第二電極；

4)將第二種半導體層正面壓到第一種半導體層絕緣層表面形成可滑動接觸，得到基于動態(tài)PN結(jié)的直流發(fā)電機，將兩種半導體層相互移動，即可產(chǎn)生直流電信號。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：