一种基于动态PN结的直流发电机及其制备方法

摘要

本发明涉及新型绿色可再生能源获取技术领域，公开了一种基于动态PN结的直流发电机，主要由两种具有不同费米能级的半导体材料构成，两种半导体层之间相互移动即可得到直流电信号输出。本发明的基于动态PN结的直流发电机，PN半导体接触即形成一个内建电势，在内建电场的作用下，结区内PN结横向移动产生的扩散电荷会定向分离，产生电流，从而将外界的机械能直接转换为直流电能，可以为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源。与传统的电磁感应发电机、纳米发电机相比，本发电机电流密度极高，且绝缘层可以提高发电电压。所需材料简单且不需要外加整流电路就能输出直流电信号，工艺流程和器件结构简单、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于动态PN结的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

在电子产品快速发展和环境污染、能源危机问题日益严峻的今天，人们开始寻求一种微型、可便携的绿色清洁能源来替代传统的锂电池，为电子设备提供能量。近些年来，作为一种新型、可再生、微型便携的绿色能源器件，纳米发电机逐渐进入人们的视野，成为研究领域和应用层面中的新星，引起了学术界和产业界的广泛关注。纳米发电机可以将自然界中的多种天然、绿色能量，例如：风能、机械能、潮汐能等等，转化为电能输出，从而可以为电子设备提供能量，不受环境因素的限制，在很大程度上可以减小环境污染问题带来的负面影响，并缓解能源危机。

2006年提出的压电发电机以及2012年提出的摩擦发电机近年来飞速发展，但受限于材料、结构以及工作原理，发电的电流以及功率还不够高且输出的是交流电信号。在本发明中，我们利用两种具有不同费米能级的半导体材料之间的相互接触移动，得到了基于动态PN结的直流发电机，减少了对材料、结构以及工作原理的限制。在PN结结区的极强内建电场的作用下，可以得到极高的电流密度；且绝缘层可以提高发电电压。不需要外加整流电路即可输出直流电信号，工作稳定，工艺步骤和器件结构简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态PN结的直流发电机及其制备方法。

本发明的基于动态PN结的直流发电机，该直流发电机包括两部分，一部分为第一种半导体层，在其背面设有第一电极，正面设有一层绝缘层；另一部分为第二种半导体层，在其一侧设有第二电极，第一种半导体层的正面与第二种半导体层的裸露侧相互接触并可相对滑动，形成动态的PN结直流发电机，所述的第一种半导体层以及第二种半导体层所用材料的费米能级不同。

上述技术方案中，所述的第一种半导体层和第二种半导体层为硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓或者磷化铟等半导体材料中的一种，且两种材料的费米能级不同。

所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化硼等绝缘材料中的一种，厚度不超过500nm。

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PN结的直流发电机，可以将风能、潮汐能、机械能、海洋能等中的一种转换为电信号。

所述的基于动态PN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，比其他纳米发电机高几个数量级。

制备上述的基于动态PN结的直流发电机的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在第一种半导体层背面制作第一电极；

2)在第一种半导体层正面生长一层绝缘层；

3)在第二种半导体层背面制作第一电极；

4)将第二种半导体层正面压到第一种半导体层绝缘层表面形成可滑动接触，得到基于动态PN结的直流发电机，将两种半导体层相互移动，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：

与传统的纳米发电机相比，本发明的基于动态PN结的直流发电机，不需要使用压电半导体材料。且不需要外加整流电流即可得到直流电，可以直接给外部电路供电，工作稳定，工艺步骤和器件结构简单。原理与结构上属于首创，具有先进性。利用两种具有不同费米能级的半导体材料之间的相互接触移动，得到了基于动态PN结的直流发电机，减少了对材料、结构以及工作原理的限制。在PN结结区的极强内建电场的作用下，可以得到极高的电流密度，且中间的绝缘层可以提高发电电压。

附图说明

图1为基于动态PN结的直流发电机的结构示意图；

图2为基于P型硅/N型砷化镓动态PN结的直流发电机的I-V曲线图；

图3为基于P型硅/N型砷化镓动态PN结的直流发电机的电流输出随时间变化图；

图4为基于P型硅/200nm二氧化硅/N型砷化镓动态PN结的直流发电机的I-V曲线图；

图5为基于P型硅/200nm二氧化硅/N型砷化镓动态PN结的直流发电机的电压输出随时间变化图。

图6为基于P型硅/N型硅动态PN结的直流发电机的电流输出随时间变化图；

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，本发明的基于动态PN结的直流发电机，先在第一种半导体材料层1背面制作第一电极2，正面生长一层绝缘层3；再在第二种半导体材料层4背面制作第二电极5；之后将第一种半导体材料层1绝缘层一面压到第二种半导体材料层4正面形成可移动的相互接触，即得到基于动态PN结的直流发电机，两种半导体层之间相互移动即可得到直流电输出。本发明的基于动态PN结的发电机，PN结结区存在内建电势，在内建电场的作用下，结区内PN结横向移动产生的扩散电荷会定向分离，产生电流，从而将外界的机械能直接转换为直流电能，可以为各种电子设备和产品提供可再生、清洁能源。与传统的电磁感应发电机、纳米发电机相比，本发电机电流密度极高，且绝缘层可以提高发电电压。所需材料简单且不需要外加整流电路就能输出直流电信号，工艺流程和器件结构简单、成本低。

实施例1：

1)在P型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为70nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的硅片上的正面不生长绝缘层；

3)在N型掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为70nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

4)将N型砷化镓片压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号。

所述的P型硅/N型砷化镓动态PN基结直流发电机，是将N型砷化镓片压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机。P型硅/N型砷化镓PN结的直流发电机的I-V曲线图如图2所示，相互接触即形成一个内建电场，具有整流特性。用手将N型砷化镓在P型硅表面移动，电极两端即可得到电信号，产生的直流电流大小约为2μA，如图3所示。产生的电压大小约为0.7V，电流密度为2A/m²。

实施例2：

1)在P型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为50nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的硅片上的正面生长一层20nm的二氧化硅；

3)在N型掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为100nm铬/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

4)将N型砷化镓片压在生长了一层20nm二氧化硅的P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号。

所述的P型硅/二氧化硅/N型砷化镓动态PN基结直流发电机，将N型砷化镓片压在生长了一层20nm二氧化硅的P型硅片上，接触并相互移动即可输出电信号。P型硅/20nm二氧化硅/N型砷化镓PN结的直流发电机的I-V曲线图如图4所示，相互接触即形成一个内建电场，具有更好整流特性。与P型硅/N型砷化镓结相比，势垒高度提高，从而提升了输出电压。用手将N型砷化镓在P型硅表面移动，电极两端即可得到电信号，产生电压大小大约为2.5V，如图5所示。产生的直流电流大小约为1.2μA，电流密度为1.2A/m²。

实施例3：

1)在P型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为100nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在P型掺杂的硅片上的正面不生长绝缘层；

3)在N型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为100nm银电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

4)将N型硅片压在P型硅片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号，产生的直流电流大小约为20μA，如图6所示。产生的电压大小约为0.1V，电流密度为107A/m²。

实施例4：

1)在N型掺杂的氮化镓片上的背面制作电极，材质为70nm铬/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在N型掺杂的氮化镓片的正面生长一层50nm的氧化铝；

3)在P型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为70nm银电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

4)将P型硅片压在N型氮化镓片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号。

实施例5

1)在N型掺杂的硅片上的背面制作电极，材质为70nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在N型掺杂的硅片的正面生长一层10nm的氮化硅；

3)在P型掺杂的碳化硅片上的背面制作电极，材质为60nm金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

4)将P型碳化硅片压在N型硅片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号。

实施例6

1)在N型掺杂的氮化镓片上的背面制作电极，材质为80nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

2)在N型掺杂的氮化镓片的正面生长一层100nm的氧化铝；

2)在P型掺杂的砷化镓片上的背面制作电极，材质为80nm钛/金电极，然后将得到的样品依次浸入丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理，用去离子水清洗后取出吹干；

3)将P型砷化镓片压在N型氮化镓片上，接触并相互移动即可得到一个基于动态PN结的直流发电机，产生电信号。

经大量实验研究发现，本发明的直流发电机中绝缘层的厚度最佳范围为50-100nm，当绝缘层厚度过厚时载流子无法通过，绝缘层太薄则势垒高度增加有限。适当的绝缘层厚度可以大大提高发电机的输出电压，并且有限的降低电流输出。Si材料输出电流密度高，电压相对较低；而砷化镓材料的输出电流密度较低，但电压较高。