使用固態裝置作為能量轉換器并且使用納米工程多孔性網狀材料的預平衡系統和方法
【技術領域】
[0001]本專利文獻一般涉及能量轉換系統并且更具體來說涉及使用固態發電機產生電功率、輻射束或機械運動的方法和系統，所述固態發電機具有包含多孔性材料網狀結構(例如納米線陣列或納米工程結構，或納米粒子，或膠體糊狀物)的平面或三維表面。
【背景技術】
[0002]最近已證實使用固態發電機將化學能和其它能量形式轉換成電，例如美國專利第6,114,620號、第6,218,608號、第6，222，116號、第6，268，560號、第6，327，859號、第6，649，823號、第7，371，962號以及第7，663，053號中所解釋。美國專利第6，114,620號、第6，218，608 號、第6,222,116 號、第6,268,560 號、第6,327,859 號、第6,649,823 號、第 7,371,962 號以及第7，663，053號以全文引用的方式并入本文中。此類能量轉換裝置有效轉換化學和其它能量形式。舉例來說，本文的圖1示出了固態發電機以及顯示此類裝置的特征的曲線。如本文圖1-A中的橫截面中所示，電荷載流子(一般為電子e—)在傳導面1A上或附近由激發器12A供能。電荷載流子例如通過化學反應或其它能量形式供能。在每種情況下，將電荷載流子注入到半導體導帶中。舉例來說，電荷載流子以彈道形式從導體1A移動到半導體或介電質IlA中。導體1A很薄使得電子以彈道形式有效通過其行進，不因為與其它電子、聲子或原子碰撞而失去大量能量。因為半導體導帶與導體或傳導催化劑的費米能級(Fermi level)之間存在能量偏移，所以結果為跨越正極17A和負極16A的電壓14A。在圖1-A中，介電質結15A為經專門選擇以形成趨向于阻礙電子彈道式運動的電勢電壓勢皇的半導體結，如圖1-B中的IlB所示。圖1-B顯示裝置中的電勢隨著零偏移時沿裝置的距離而變化。
[0003]電勢電壓勢皇可以使用許多方式中的任一種來形成，例如圖1-C中所示的肖特基勢皇、圖1-D中的p-n結或圖1-E的導體-介電質-導體結。介電質是導電的。正向偏壓二極管提供一種最簡單的方法來執行這一能量轉換裝置。圖1-C描繪正極端子為導體/金屬的正向偏壓肖特基二極管。
【發明內容】
[0004]本發明專利文獻描述具有新穎三維裝置結構的多個實施例，所述結構可以在平面二維襯底或三維襯底上。二維或三維襯底可以是剛性或柔性/可折疊的。多個實施例通過提高裝置的每個二維區域單元可產生的功率(即電)量改進早期固態發電機。本文所述的新穎裝置結構具有固態結。這些裝置結構包含多孔性半導體或介電質以及導體和/或催化劑的納米簇以形成固態結。盡管復合物系統中存在空隙，但不同多孔性半導體/導體或傳導催化劑材料例如可以是整合系統或所述材料可以物理連接成網狀結構。材料形成納米大小的簇時，就是納米簇。固態結可以是(但不限于)肖特基二極管或P-n結。還揭示制造用于產生電或其它能量形式的所披露的裝置結構的方法/工藝。
[0005]披露將化學能轉換成電或其它能量形式的能量轉換裝置。能量轉換裝置的第一方面包含連接到襯底的第一電極。多孔性半導體(或介電質)層安置于襯底上，其中在襯底與多孔性半導體(或介電質)層之間有任選的無孔半導體(或介電質)層。多孔性半導體層具有納米工程結構。多孔性催化劑材料位于多孔性半導體(或介電質)層的至少一部分。至少一些多孔性催化劑材料進入多孔性半導體層的納米工程結構，形成交織區。存在第二電極，并且在燃料、多孔性催化劑材料和多孔性半導體層之間發生化學反應期間在第一電極和第二電極之間形成電勢。還存在從固態發電機去除熱的散熱片，其中散熱片的散熱片溫度高于環境溫度。
[0006]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底經圖案化形成三維表面，由此提供用于化學反應的增加的表面積。
[0007]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底經圖案化形成納米線。
[0008]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底經紋理化形成峰和谷。
[0009]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置在襯底和多孔性半導體層之間具有無孔半導體層。
[0010]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底為二維和平面的。
[0011]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底為三維的并且具有內部和外部表面。
[0012]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底為剛性的。
[0013]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底為柔性的。
[0014]在本文披露的另一方面，能量轉換裝置的襯底為可折疊的。
[0015]在本文披露的另一方面，固態結為肖特基二極管。
[0016]在本文披露的另一方面，固態結為p-n結。
[0017]在本文披露的另一方面，固態結為導體-介電質、介電質-介電質、導體-介電質-導體或介電質-導體-介電質結。
[0018]在本文披露的另一方面，多孔性半導體層包含選自以下的半導體材料:包括結晶、多晶或多孔性!^02、511103、831103、51.81113.131-83_7-110_2、碳化硼、1^祖0、厶1203、2110以及LaSrV03的材料群組，以及包含PTCDA或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐的有機半導體。
[0019]在本文披露的另一方面，納米級導體簇的不連續多孔性覆蓋率超過多孔性半導體層。
[0020]在本文披露的另一方面，導體層包含多個納米級簇。
[0021 ]在本文披露的另一方面，納米級簇包含催化劑。
[0022]在本文披露的另一方面，一或多個能量轉換裝置電串聯、電并聯或串聯和并聯的組合連接。
[0023]在本文披露的另一方面，一或多個能量轉換裝置熱串聯、熱并聯或串聯和并聯的組合連接。
[0024]在本文披露的另一方面，能量轉換系統包含一或多個能量轉換裝置的活性表面上的匯流條，其尺寸大于隧穿尺寸。
[0025]固態發電機可以通過化學反應能量、光伏或熱梯度供能，并且其可以制造于剛性襯底或柔性/可折疊襯底上。裝置從化學反應能量產生機械運動由以下組成:使液壓流體與納米工程結構的非反應側接觸，導體/催化劑和納米工程結構的表面經機械成形以提高流體受到的單向力。還可以使用例如納米試管的其它方法來轉換成機械能。在反應產物與其周圍環境平衡之前的短暫間隔期間，設備將大部分此類產物能量轉換成有用功。本發明涉及在達到熱平衡之前，以釋放的能量的形式從催化劑表面上發生的化學反應提取電或機械能或相干輻射。
【附圖說明】
[0026]作為本說明書的部分包括在內的附圖展示了多個實施例，并且連同上文給出的總體描述和下文給出的實施例的詳細描述一起用來闡明和傳授本文所述的原理。
[0027]圖1-A不出了固態發電機。
[0028]圖1-B示出了勢能對比與裝置的最高表面的距離的曲線，并且所述曲線指出固態結中電勢勢皇的作用。
[0029]圖1-C示出了具有肖特基勢皇的示范性固態發電機中電勢對比與裝置的最高表面的距離的曲線。
[0030]圖1-D示出了具有p-n結電勢勢皇的示范性固態發電機中電勢對比與裝置的最高表面的距離的曲線。
[0031]圖1-E示出了具有導體-介電質-導體電勢勢皇的示范性固態發電機中電勢對比與裝置的最高表面的距離的曲線。
[0032]圖2示出了導體和/或催化劑-半導體界面的能帶圖。
[0033]圖3示出了EMF產生機構的示意圖。
[0034]圖4示出了具有導體和/或催化劑的納米線材料陣列的一部分的示意性橫截面，所述陣列可以是傳導催化劑網狀結構。
[0035]圖5a描繪三維多孔性網狀結構的橫截面圖，所述三維多孔性網狀結構由多孔性導體和/或催化劑組成，所述催化劑可以是與平面二維襯底上的另一多孔性半導體或介電質三維層三維交織的傳導催化劑三維層。可任選地在平面襯底與上述多孔性三維層/網狀結構之間插入無孔夾層。
[0036]圖5b為由多孔性導體和/或催化劑組成的三維多孔性網狀結構的橫截面顯微圖，所述催化劑可以是與另一多孔性半導體或介電質三維層三維交織的傳導催化劑三維層。
[0037]圖5c為具有三維多孔性網狀結構的能量轉換器的俯視顯微圖，所述三維多孔性網狀結構由多孔性導體和/或催化劑組成，所述催化劑可以是與另一多孔性半導體或介電質三維層三維交織的傳導催化劑三維層。
[0038]圖6示出了具有多單元裝置結構的能量轉換器，所述多單元裝置結構具有三維多孔性導體和/或催化劑的多個層，其可以是在平面襯底上的傳導催化劑，和三維多孔性半導體或介電質網狀結構。可以在平面二維襯底和上述多孔性三維層/網狀結構之間插入或不插入無孔夾層。
[0039]圖7示出了具有多孔性導體和/或催化劑的圖案化三維網狀結構的示范性能量轉換器，所述多孔性導體和/或催化劑可以是在三維襯底上的傳導催化劑和多孔性半導體或介電質，其中內部和外部表面經與可以是傳導催化劑層/網狀結構的多孔性導體和/或催化劑三維交織的多孔性半導體或介電層/網狀結構覆蓋。還可以在三維襯底和三維多孔性半導體或介電層/網狀結構之間插入任選的無孔層。
[0040]圖8示出了具有多孔性導體和/或催化劑的三維多孔性襯底/支撐層(部分或完全)網狀結構的示范性能量轉換器，所述多孔性導體和/或催化劑可以是三維襯底上的傳導催化劑和多孔性半導體或介電質，其中內部和外部表面經與可以是傳導催化劑層/網狀結構的多孔性導體和/或催化劑三維交織的多孔性半導體或介電層/網狀結構覆蓋。還可以在三維襯底和三維多孔性半導體或介電層/網狀結構之間插入任選的無孔層。
[0041]圖9a示出了具有多孔性導體和/或催化劑的紋理化三維網狀結構的示范性能量轉換器，所述多孔性導體和/或催化劑可以是在三維襯底上的傳導催化劑和多孔性半導體或介電質，其中內部和外部表面經與可以是傳導催化劑層/網狀結構的多孔性導體和/或催化劑三維交織的多孔性半導體或介電層/網狀結構覆蓋。還可以在三維襯底和三維多孔性半導體或介電層/網狀結構之間插入任選的無孔層。
[0042]圖9b為如圖9a的三維紋理化襯底上的示范性三維能量轉換器的橫截面的顯微圖。
[0043]圖9c為如圖9a的三維紋理化襯底上的示范性三維