[发明专利]一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法，所述的发电机包括两大部分，一部分包括金属层，另一部分包括由薄膜聚合物层覆盖部分半导体衬底层所形成的第一表面，金属层可在第一表面上水平接触滑动。金属与半导体衬底紧密接触形成肖特基结，其内建电场将加速肖特基结区水平移动产生的扩散载流子并定向输出，而金属与聚合物层的水平移动会导致各自表面积累大量电荷，从而形成很大的电势差，该电势差会作用于金属/半导体界面，调控后者输出的电压和电流大小。本发电机内阻小，输出电压大，可串联使用，或通过选择材料或聚合物面积大小调控输出电压，可以直接驱动一些便携式电子设备，且该发电机制备简单、成本低。

技术领域

本发明涉及一种直流发电机及其制造方法，尤其涉及一种基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制造方法，属于新型绿色可再生能源获取领域。

背景技术

近年来，物联网、柔性器件等技术的快速发展对能源供应端提出了新挑战，为了适应广泛分布的各种微小型、便携式电子设备，新型供电器件需要能够随时随地供应能源并且具备轻便可携带的特点。由于小型电子设备数量庞大，化学电池供电无法持续供电，定期更换成本过高，因此最理想的供电器件是微小型发电机。

传统的电磁发电机受限于电磁线圈，难以在空间和质量上小型化和轻便化；太阳能发电受到光照时间以及露天环境的限制；压电及摩擦纳米发电机等受限于材料过大的内阻，电流很小且产生的是需要整流电路的直流电。为了适应不同应用场景下的供电需求，亟需能够稳定、轻便且高功率的具备新型物理内涵的发电机。

机械能是环境中分布最广泛的能源，不受时间、地域的限制，是供应原位能源的理想来源。动态二极管发电机和金属-聚合物摩擦发电机都是能够高效收集环境中低频机械能的发电器件。然而前者虽然能输出直流电但输出电压较低，后者输出电压大但是内阻过大且输出的是交流电。

因此，本发明设计了一种新型直流发电机，在动态肖特基结二极管发电机的基础上，将聚合物作为界面材料引入金属/半导体之间来调控肖特基结区的场强，从而产生更强的输出电压。利用聚合物与金属之间的摩擦起电效应在界面处积累大量电荷，从而产生电势差作用于肖特基结区，使得反弹载流子能够获得更大的能量，提高动态肖特基结发电机的输出性能。本发明的器件利用金属和聚合物之间的摩擦起电效应在界面处积累电荷，并形成电势差。而半导体衬底也起聚合物层的电极作用，因此该电势差也作用于金属和半导体之间，施加在肖特基结区。在金属水平运动时，该电势差产生的电场与内建电场共同作用于扩散载流子，将其反弹形成反弹电流并输出直流电。往不同的方向运动，产生的电势差方向也不同，输出的电压大小也会改变，但是输出方向只由金属和半导体的费米能级决定，与运动方向无关。此外，本发明的利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，其输出电压主要受金属层保持接触所受到的压力、水平运动时的速度以及运动的距离有关，通过改变以上参数和材料间的费米能级差，可以设计输出电压。以铝/聚酰亚胺/硅结构的动态肖特基二极管器件为例，在压力为10N、运动速度为5cm/s的情况下，实现了高达1.54V/0.5μA的输出。发电机的性能还可以通过串联多个发电机进一步提高。本发明的器件主要材料为金属和半导体，内阻小，供电过程中能量损耗低，且输出直流电，节约了整流电路的成本和空间，具有可重复和轻质化的优点。其器件结构和工艺流程简单、成本低的特点，在便携式发电设备领域有着巨大的发展潜力和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携、稳定且工艺简单的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机及其制备方法。

本发明的基于利用界面材料的动态二极管的新型直流发电机，包括两大主体部分，第一部分包括金属电极以及与金属电极紧贴的金属层；第二部分包括半导体衬底、覆盖了半导体衬底的部分表面的薄膜聚合物层以及合金电极层。薄膜聚合物层以及未被覆盖的半导体衬底表面构成第一表面，金属层与所述第一表面直接接触，并且二者可以水平相对滑动，组成动态的异质结直流发电机。

上述技术方案中，所述的金属为石墨烯、铝、金、铂、银、钛、铁、铜中的一种。