[发明专利]环境能量转化装置

说明书

技术领域

本发明涉及新原理的环境能量转化设备。

背景技术

能量转化和存储技术包括太阳能、热、振动、化学和风能等转化为电能。在这些众多的能量转化技术中，锂电池、超级电容器、太阳能电池、燃料电池和氧化锌纳米发电机受到了最广泛的关注。然而锂电池、超级电容器要使用充电才能使用，而且为了增大能量密度，需要大的体积和重量。太阳能电池需要有光照的情况才能使用，燃料电池要消耗燃料而且对环境造成很大的危害，氧化锌纳米发电机产生了不连续的电输出，需要使用电容来存储其产生的电，而且也消耗机械能。然而，有另一种能量形式，分子、原子、离子、粒子热运动的能量，比如气体分子的热运动速度高达1000 m/s，在水溶液中室温下离子热运动的能量高达300 m/s，由于这一运动是杂乱无章的，到目前为止仍未见将该热运动的能量转化为电能的报道。

众所周知，固体表界面有许多丰富的物理、化学、生物和机械性质。不管是体材还是纳米级的薄膜，均有暴露于环境的表面，会产生环境诱导表面效应，产生新奇的物理和机电光热效应。尤其，当半导体薄膜的厚度小到纳米厚度时，表界面的成分占薄膜总体的比例显著增大，以表界面的性质占优势，比如纳米尺度物质的催化性能显著增强，在药物合成中，酶催化活性能通过加入纳米离子而显著增强。另一方面，我们发现，当使用半导体制作的器件放置于电解质溶液中时，该系统会自发产生电。当半导体薄膜的厚度降低到纳米厚度，小于100纳米的维度上，将真空或溶液法处理的半导体薄膜制备于玻璃、陶瓷、塑料、橡胶等衬底上后，对薄膜两端利用不对称电极调控，将做好的器件放置于电解质盐溶液中后，器件能自发产生持久的电输出。这一发现，是利用了环境热发电的半导体自充电器件，而非化学反应类装置，为绿色能源科学技术领域开拓的一个前瞻的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将环境热能转化为电能的半导体装置。

本发明所提供的技术方案为：

环境能量转化装置，包括能量转化单元。能量转化单元包括：正极、负极、中间体和中介媒质。中间体由半导体制成，夹在正极和负极之间，两边分别和正极、负极相连接触。正极和负极具有不对称性。

中间体的半导体材料可以是掺杂型石墨烯或掺杂型金刚石薄膜、或常规无机半导体、或有机半导体。常规无机半导体包括IIIA-VA族、II-VI族、IVA-VIA族及过渡金属或稀土类金属的硫属化合物、氮化物、磷化物、砷化物，例如，硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌、硫化锌、氧化钛、氧化铜或硫化铜。有机半导体，例如：P3HT（聚3已基噻吩）和PEDOT(3,4-乙撑二氧噻吩)。中间体可以是体材或薄膜。体材是具有三维宏观结构的材料。薄膜是一种二维材料，厚度方向为微米及纳米量级。薄膜状的中间体也可以通过粘贴、镀膜的方式固定在基底衬板上，基底衬板是由绝缘材料制成的体材或薄膜。

正极和负极具有不对称性包括三种情形：

第一种情形是正极和负极由具有不同功函数的材料制成。正极的功函数WP、负极的功函数WN、中间体的功函数WX满足以下条件：WP＞WX≥WN。其中，正极、负极和中间体的功函数是指正极、负极和中间体材质的功函数。其中，作为正极的高功函数的材料可以是钯、金、碳、铂、硒、钴、铍、硅、石墨等或无机/有机导电固体，或者含有前述材料的两种、多种混合物的导电材料。作为负极的低功函数的材料可以是银、铝、铯、铜、锂、铅、锡、铬、钼、钨、镍、钛、镉、钙、铁、镁、汞、铌、钾、钠、铀、锌等或无机/有机导电固体，或者含有前述材料的两种、多种混合物的导电材料。

第二种情形是正极和负极采用具有不同链长或不同结构的表面分子对其进行表面修饰。其中，修饰分子为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PVA（聚醋酸乙烯酯）或巯基硫醇类有机分子等。表面分子的表面修饰是指将分子组装于电极表面，可以通过浸入溶液自组装、滴涂、旋涂或真空镀膜法实现。不同链长或不同结构的表面分子是指具有相同烷、醇、醚、芳香环等结构但是不同数目的链状结构构成的分子，或者指不同烷、醇、醚、芳香环等结构构成但是链长相同即主链上碳原子数目相同的分子。包括：只有正极做了表面修饰，或者只有负极做了表面修饰的情形。

第三种情形是正极和负极具有不同的几何结构。正极和负极在中间体两端、四周或叉指、手指等复杂结构构建，使其满足条件：正极具有与中间体的接触面积小于负极与中间体的接触面积。