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CN111029337A - 一种基于半导体异质集成的多能源收集系统 - Google Patents

一种基于半导体异质集成的多能源收集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体异质集成的多能源收集系统，该系统包括半导体异质集成芯片、储能系统、供电接口；半导体异质集成芯片用于收集无线电、太阳能或机械能并转化为电能，存储在储能系统中，通过供电接口为电子设备供电；所述的半导体异质集成芯片包括第一种半导体层、第二种半导体层和第三种半导体层或金属层，其中第一、第二种半导体层叠置构成静态半导体异质结，二者费米能级不同，第三种半导体层或金属层与第二种半导体层叠置且相互接触并可相对滑动，二者费米能级也不同。该系统相比单一能源收集系统在相同时间内产生更多电能，最重要的是系统不再受限于单一能量来源，可以应对多种特殊环境条件。

Description

一种基于半导体异质集成的多能源收集系统
技术领域
本发明涉及一种基于半导体异质集成的多能源收集系统，属于新型可再生能源获取技术领域。
背景技术
能源紧缺危机和环境污染问题一直是现代人们关注的焦点，而随着现代社会对电能需求日益增大，多种清洁可再生能源的转化应用在日常生活中。太阳能作为地球最终的能量来源，总量大又绿色环保，因此更好地收获其辐射将解决能源挑战并帮助保护环境；电磁波也是一种非常庞大的能量来源，无线充电技术可充分利用电磁波；机械能不受环境的限制，可以自主控制。目前单一能量来源的器件应用通常受环境限制，我们需要一种可以同时吸收多种能源的器件结构，可以将环境中的多种能源收集利用，使其具备更广的应用场合。
本发明基于的静态半导体异质结可将接收到的微波信号转化为直流电能输出，同时也可吸收太阳能转化为电能输出。当半导体/金属在半导体衬底上滑动时，PN/肖特基结不断产生和消失，伴随着电子的定向移动形成直流电，可以将机械能转化为电能。滑动过程中，动态二极管中的半导体/金属中的载流子可以与静态半导体异质结进行载流子交换，增加载流子浓度从而有效提升电压电流输出。本发明的基于半导体异质结的多能源收集系统可将电磁能、太阳能和机械能转化为直流电能输出，转化效率高、工艺简单、便于推广。而且多能源收集系统相比单一能源收集系统在相同时间内产生更多电能，最重要的是系统不再受限于单一能量来源，可以应对多种特殊环境条件。例如在无光无特定电磁波条件下也能利用机械能产生电能输出，应用场合更广泛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半导体异质集成的多能源收集系统。
本发明的基于半导体异质集成的多能源收集系统，包括半导体异质集成芯片、储能系统、供电接口；半导体异质集成芯片用于收集无线电、太阳能或机械能并转化为电能，存储在储能系统中，通过供电接口为电子设备供电；所述的半导体异质集成芯片包括第一种半导体层、第二种半导体层和第三种半导体层或金属层，其中第一、第二种半导体层叠置构成静态半导体异质结，二者费米能级不同，第三种半导体层或金属层与第二种半导体层叠置且相互接触并可相对滑动，二者费米能级也不同。
所述的第一种半导体和第二种半导体构成的静态半导体异质结可接收1GHz-10GHz的电磁波。
所述的第一种半导体层、第二种半导体层和第三种半导体层均选自石墨烯、硅、砷化镓、铟镓砷、二硫化钼、黑鳞、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓、磷化铟，所述的金属层可以为金、铁、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂、铝、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合金属。
所述的系统可将其制作在PCB板上，其输出的电流密度高，给储能设备如电池充电速度极快。
所述的系统输出的是直流电能。
上述的基于半导体异质集成的多能源收集系统，其制备过程可以包括如下步骤：
1)首先设计并制作PCB板；
2)在PCB板上依次制作第一种半导体层、第二种半导体层和第三种半导体/金属层；第一种半导体层和第二种半导体层构成静态异质结，第三种半导体/金属层直接置于第二种半导体层上二者相互接触且可相对滑动；
3)然后将电池、接口锡焊在PCB板上，第一种半导体层、第二种半导体层、第三种半导体/金属层均分别通过引线引出连接至电池。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明的基于半导体异质结的多能源收集系统可将电磁能、太阳能和机械能转化为直流电能输出，转化效率高、工艺简单、便于推广。而且多能源收集系统相比单一能源收集系统在相同时间内产生更多电能，尤其是芯片中上层由第三种半导体层或金属层与第二种半导体层构成的动态二极管发电机可以有效调控下层由第二种半导体层及第一种半导体层构成的静态二极管的载流子输运特性，从而有效提升转换效率。最重要的是系统不再受限于单一能量来源，可以应对多种特殊环境条件。如在无光无特定电磁波条件下也能利用机械能产生电能输出，应用场合更广泛。
附图说明
图1为基于半导体异质集成的多能源收集系统的结构示意图；
图2为基于石墨烯/砷化镓的半导体异质结在1GHz发射源下的连续电压发电图；
图3为基于石墨烯/N型硅在相互滑动时的连续电流发电图；
图4为基于石墨烯/N型硅在相互滑动时的连续电压发电图；
图5为基于石墨烯/砷化镓的半导体异质结在动态二极管增强的连续电流发电图。
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，基于半导体异质集成的多能源收集系统，由半导体异质集成芯片、储能系统、供电接口等构成。半导体异质芯片可以收集无线电、太阳能和机械能转化为电能，并存储在储能系统中，为电子设备供电。该半导体异质集成芯片包括第一、第二种半导体层及第三种半导体层或金属层，其中第一种半导体层和第二种半导体层叠置构成静置半导体异质结，既可以吸收电磁波转化为电能(如图2所示)，也可以吸收太阳能转化为电能，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。该半导体异质芯片的第二种半导体层和第三种半导体/金属层叠置且相互接触并可相对滑动，滑动即产生直流电能输出，所述的第二种半导体层以及第三种半导体/金属层所用材料的费米能级不同。动态二极管发电机可以有效调控下面静态二极管的载流子输运特性，从而有效提升输出电流。产生的电能可以存储在电池中，并可以通过接口给电子设备供电，将这些器件连接集成在PCB板上。
本发明的基于半导体异质结的多能源收集系统可将电磁能、太阳能和机械能转化为直流电能输出，转化效率高、工艺简单、便于推广。而且多能源收集系统相比单一能源收集系统在相同时间内产生更多电能，最重要的是系统不再受限于单一能量来源，可以应对多种特殊环境条件。如在无光无特定电磁波条件下也能利用机械能产生电能输出，应用场合更广泛。
实施例1：
1)设计并制作PCB板；
2)制作砷化镓/石墨烯异质器件，将其连接到PCB板上；
3)将电池、接口等焊锡在PCB板上；
4)石墨烯/砷化镓异质器件收集电磁波转化为电能存储在电池中；
5)将N型硅片的正面在石墨烯上滑动，产生直流电能输出存储在电池中；
6)电池通过USB接口可以给电子设备供电。
所述的N型硅/石墨烯/砷化镓异质集成的多能源收集系统，可以有效收集电磁波与机械能。静态的石墨烯/砷化镓可以有效吸收电磁波，如图2所示。动态的N型硅/石墨烯异质结可以有效收集机械能，输出电压电流如图3和4所示。在动态二极管的作用下，静态二极管对电磁波的吸收得到有效增强，电流输出如图5所示。
实施例2：
1)设计并制作PCB板；
2)制作砷化镓/石墨烯异质器件，将其连接到PCB板上；
3)将电池、接口等焊锡在PCB板上；
4)将系统放置于1GHz-10GHz的电磁波环境，可产生直流电能输出存储在电池中；
5)将金属铝的正面在石墨烯上滑动，产生直流电能输出存储在电池中；
6)电池通过USB接口可以给电子设备供电。
实施例3：
1)设计并制作PCB板；
2)制作N型砷化镓/P型砷化镓异质器件，将其连接到PCB板上；
3)将电池、接口等焊锡在PCB板上；
4)将系统放置于太阳光下，可产生直流电能输出存储在电池中；
5)将金属铝的正面在P型砷化镓上滑动，产生直流电能输出存储在电池中；
6)电池通过USB接口可以给电子设备供电。
实施例4：
1)设计并制作PCB板；
2)制作砷化镓/石墨烯异质器件，将其连接到PCB板上；
3)将电池、接口等焊锡在PCB板上；
4)在无光，无特定电磁波环境下，将N型硅片的正面在石墨烯上滑动，产生直流电能输出存储在电池中；
5)电池通过USB接口可以给电子设备供电。

Claims (3)

1.一种基于半导体异质集成的多能源收集系统,其特征在于，包括半导体异质集成芯片、储能系统、供电接口；半导体异质集成芯片用于收集无线电、太阳能或机械能并转化为电能，存储在储能系统中，通过供电接口为电子设备供电；所述的半导体异质集成芯片包括第一种半导体层(1)、第二种半导体层(2)和第三种半导体层或金属层(3)，其中第一、第二种半导体层叠置构成静态半导体异质结，二者费米能级不同，第三种半导体层或金属层(3)与第二种半导体层(2)叠置且相互接触并可相对滑动，二者费米能级也不同。
2.根据权利要求1所述的基于半导体异质集成的多能源收集系统,其特征在于，所述的第一种半导体层(1)、第二种半导体层(2)和第三种半导体层均选自石墨烯、硅、砷化镓、铟镓砷、二硫化钼、黑鳞、氧化锌、锗、氮化硅、碲化镉、氮化镓、磷化铟。
3.根据权利要求1所述的基于半导体异质集成的多能源收集系统,其特征在于，所述的金属层选自金、铁、钯、铜、银、钛、铬、镍、铂、铝、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合金属。
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