[发明专利]一种基于动态半导体同质结的直流发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于动态半导体同质结的直流发电机，主要由两片具有不同费米能级同种掺杂类型但不同掺杂浓度的同种半导体材料构成，两片不同掺杂浓度和费米能级的同种半导体层之间相互接触滑动即可得到直流电信号输出。本发明的发电机无需外接整流或者储能电路即可为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源；且作为基于半导体同质结构的多子器件，器件的内阻在千欧级别，与负载电子电路基于半导体结构的元器件电阻相匹配，从而减少了供电过程中的电量损耗，且通过添加特定的介电层可以大大提高发电电压等性能，器件结构和工艺流程简单、成本低，未来在智能可穿戴设备、物联网等电子电路系统的集成式原位能源供应上有着广阔的发展前景。

技术领域

本发明涉及一种基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机及其制备方法，属于新型便携式原位能源供应技术领域。

背景技术

近年来随着物联网、可穿戴电子设备、微纳器件等快速发展，传统的发电机无法满足其能源需求。传统的太阳能发电机受太阳光照的限制；电磁发电机受限于大体积的线圈；锂电池等化学电池依赖于外部能源补给；传统纳米发电机受限于位移电流电流密度小充电慢。我们迫切需求一种轻质化、微型化、高电流密度、可持续供应直流电的具有新型物理内涵的发电机。机械能作为环境中最广泛存在的能源形式，不受环境、地域的限制，是原位能源供应最合适的来源。

此前发明人发现的动态半导体PN异质结发电机为新型的原位能源供应提供了一种全新的平台，但不同半导体的使用以及工艺流程限制了其应用；基于传统发电机原理，采用同种掺杂类型的同种半导体一直无法实现发电。在本发明中，我们利用两片具有不同费米能级和同掺杂类型不同掺杂浓度的同种半导体制备了动态半导体NN/PP同质结直流发电机，半导体之间相互接触并滑动即可输出直流电。一方面，同质结作为多子器件且具有极高的在载流子迁移率，可以输出极高的电流密度；另一方面NN和PP结的使用打破了材料和工艺的限制。外部机械运动打破了NN/PP同质结结区扩散-漂移电荷的平衡，并在内建电场作用下实现电荷的定向分离产生电流，无需外接整流或者储能电路即可为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源。且本发明的NN/PP同质结器件由于使用了半导体材料而不是绝缘材料，内阻在千欧级别，与基同样基于半导体结构的负载电子电路的电阻相匹配，从而减少了供电过程中的电量损耗。进一步通过界面能带设计，添加特定的介电层可以大大提高发电电压等性能，器件结构和工艺流程简单、成本低，未来在智能可穿戴设备、物联网等电子电路系统的集成式原位能源供应上有着广阔的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态半导体NN/PP同质结(即NN同质结或PP同质结)的直流发电机及其制备方法。

本发明的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，该直流发电机包括两部分，一部分为第一片半导体层，在其背面设有第一电极，正面设有一层介电层；另一部分为第二片半导体层，是与第一片半导体层具有不同费米能级的同种半导体，在其背面设有第二电极，第一片半导体层的介电层侧与第二片半导体层的正面紧密贴合并相互滑动即可产生电输出。

上述技术方案中，所述的第一片半导体层和第二片半导体层为硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、碲化镉、氮化镓、磷化铟、二硫化钼、黑磷、二硒化钨、二碲化钼、二硒化钼、二硫化钨等半导体材料中的一种。这里所用的两片半导体是具有不同费米能级和同种掺杂类型但不同掺杂浓度的同种半导体。

所述的介电层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化铪、氮化硼等材料中的一种，厚度不超过100nm。

所述的第一电极与第二电极均选自金、钯、银、铜、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，厚度为1-500nm。

所述的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，由于采用半导体同质结构，内阻在千欧姆级别，和常用电子电路基于半导体结构的元器件内阻匹配，处于同一数量级。

所述的基于动态半导体NN/PP同质结的直流发电机，无需外加整流电路即可产生直流电信号，且由于是多子器件电流密度极高，比其他纳米发电机高几个数量级。