[发明专利]用于使用预平衡弹道电荷载流子折射的系统和方法

说明书

本申请是申请号为200780049294.5（国际申请号为PCT/US2007/088972），申请日为2007年12月27日，题为“用于使用预平衡弹道电荷载流子折射的系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的领域总体上涉及能量转换系统，更具体地，涉及一种用于使用预平衡弹道电荷载流子折射的方法和系统。

背景技术

近来已经以若干新颖的方法和手段展示了使用固态结来将弹道电荷载流子运动直接转换为电。如图1-A中的横截面所示，在每种情况下，使用光电激励材料或使用与热梯度相结合的热量而通过激励剂12A（例如利用或不利用导电催化剂的化学反应）在导电表面10A上或在导电表面10A附近对电荷载流子（最常见的是电子）进行激励。在每种情况下，电荷载流子从导体10A弹道运动到半导体或电介质11A中。导体10A薄得以至于电子以弹道方式有效地行进通过导体10A，而不损失能量或与另一电子或原子碰撞。结果是获得跨正端子17A和负端子16A的电压14A。在图1-A中，电介质结15A是被特殊地选择用于创建电势电压势垒的半导体结，其旨在阻碍电子弹道运动，如图1-B中的11B所示。图1-B示出了装置中的电势，其为沿着装置的距离的函数。如图2-A所示，在导体表面22A处的电子21A具有大于电势电压势垒的最高点的能量。这些电子21A穿过电压势垒，并且在它们驻留到半导体导带25A之前将能量损失为热量24A，半导体导带25A分离导体-电介质结两端的电荷。逆着电势电压势垒行进的电子将一些弹道电子动能转换为电势能27A。其余的弹道电子动能变成热量24A。所产生的电压27A是一侧28A上的导体的费米能级与另一侧26A上的电介质导体电极的费米能级之间的差。当电荷分离时，产生电压V（伏特）。

在现有技术中，当在薄的导体表面上吸收含能量的化学物时，与图1-A、1-B和2-A所表示的情况相类似地，在传感器中检测到具有大于约0.5eV的电压势垒的能量的电子。然而，能量分布按指数规律下降超过～0.1eV，从而呈现出对于能量转换和能量生成而言无益的结果。此外，在这些传感器中，量级为1m_e的金属导体10A的有效电子质量远大于量级为1/3m_e的半导体11A（典型地为硅）中的有效电子质量。这导致了大部分生成的电子被反射离开半导体/金属界面15A并因此未被收集到。尚未公开或者详述电子有效质量的作用的关联性或效用。该方案还需要对二极管进行低温冷却以减少热噪声。该方案的效率低，以至于只能以短路模式测量电流。该系统只能用作化学传感器，并且该系统不是有用的电发生器。

在现有系统中，在导电催化剂表面上或在导电催化剂表面附近的缔合反应对高度振动激励的分子进行激励和起动(initialized)。振动激励的分子的能量被传送给导体中的电子。电子能量明显超过1.2伏特的势垒11B。当使用宽带隙氧化物半导体TiO₂时，在充分超过水的沸点的温度（直到473开尔文）处观测到有用的短路电流。在室温和几乎零温度梯度的条件下观测到有用的开路正向电压。该正向电压与使用相同的氧化物半导体在光电激励的系统中所观测到的正向电压相类似。

非常有利的是：使用导致可预测的高输出电压和高输出电流的制造方法，能够选择除了TiO2之外的材料，在升高的温度下操作这种转换器，以及使用热梯度在这种类型的装置中生成电流。

固态热离子的场使用热梯度来激励电荷载流子，并使用半导体带隙工程来提供跨半导体结的电压势垒。在这种装置中，电荷载流子必须弹道行进穿过电介质11A。在材料10A中无需电荷载流子弹道行进。此外，确认电荷载流子在所有从材料10A朝向电介质11A的方向上行进。在弹道传送期间载流子有效质量逐步增加的效应尚未被用于增强转换效率和降低制造成本。

所有已知的相关的转换器的构思遭受了与所使用的结材料的未指定的且因此不受控的相对电荷载流子有效质量直接相关的低效率。该领域未主张也未声称要求调整或控制载流子有效质量以增强能量转换效率的任何方法或知识。

发明内容

公开了使用预平衡弹道电荷载流子折射的方法和系统。根据一个实施例，一种装置包括一个或多个固态电发生器。该固态电发生器包括：来自包括化学激励的固态电发生器和热离子固态电发生器的组中的一个或多个。在固态电发生器的固态结中使用具有第一电荷载流子有效质量的第一材料。具有大于第一电荷载流子有效质量的第二电荷载流子有效质量的第二材料形成该固态结。第二有效质量除以第一有效质量的电荷载流子有效质量比率大于等于2。