专利名称：用于将热能转换成电能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及将热能转换成电能，更具体而言，本发明涉及采用间隙隔开的 并列放置的热端辐射体和冷端带电载流子转换器结构所实现的这种转换。
背景技术：
受使用热-光电方法来实现这种转换的最初方案(美国专利No. 6，084，173，2000 年7月4日授予Robert DiMatteo)的激励，我们对在这种间隙中的能够产生进一步增加的 吞吐量功率的相干激发转移的可能性进行了探索。这使我们得出了开发单一电荷载流子转 换器的理论方案，在该方案中，激发可以转移到离间隙非常近的地方，如在标题为“Thermal to ElectricConversion based on a Quantum-Coup ling Scheme)白勺麻省理工学院电子学 研究室的内部报告(2005年9月RLE 147)中所述。由于这与本发明有关，因此下文将结合 图1来描述它的基本方案。尽管这提出了可能操作的理想化概要，但是，直到最近出现的意外的突破才打通 了通往在实际上可实现的设备的道路。该突破的结果是获得了通过较热端表面与以小间隙 隔开的并列放置的冷端转换器表面之间的静电耦合进行的相干激发转移的新颖组合，其中 后者具有新颖的单一载流子冷端转换器结构。DiMatteo的方案建议间隙应该是真空间隙， 但重要的是它的间隙不应该包括固体或液体。它可以是气体，甚至更为优选地，它可以是平 均自由程大于间隙间距的稀气体。现在，通过利用现已公知的固态芯片制造技术进行加工来实现实用设备是可行 的，这预示着具有高电源电势特性的热电转换器阵列。发明目的因此，本发明的一个主要目的是提供一种新颖、改良的热电能量转换方法以及采 用该方法的新颖装置或设备结构，其包括改良的热表面以及由小的间隙隔开的并列放置的 较冷转换器表面。另一目的是提供一种这样的装置，其采用了通过在较热表面与较冷表面之间的静 电耦合而进行的新颖激发转移以及一种单一载流子冷端转换器的芯片状结构。又一目的是提供这种结构的新颖芯片阵列。将在下文说明其它目的以及进一步的目的，并结合所附权利要求更为具体地指出 其它目的以及进一步的目的。
发明内容
概括而言，根据本发明的观点之一，本发明包括一种将热能转换成电能的方法，该 方法包括并列放置由小的间隙隔开的较冷端转换表面和较热端表面；在所述冷表面上或 其附近提供较低能态电子；将所述较低能态电子库仑耦合到所述热表面上的电荷；将能量 从所述热端表面转移到所述冷端表面的较低能态电子，从而将所述较低能态电子激发到较 高能态；在所述冷表面处或其附近收集所述较高能态电子，以生成较高电势；以及响应于所述较高电势而提取所转换的电能。在本发明的结构或设备方面中，本发明的热电转换装置包括由小的气体间隙或真 空间隙隔开的并列放置的较热表面和较冷表面，所述冷表面提供单一电荷载流子转换器单 元的芯片阵列，通过库伦静电耦合交互，所述热表面以静电方式使激发能量跨过所述间隙 转移到相对的冷表面转换器单元。下面对优选的设计和实施例(包括最佳模式设计)进行更全面的介绍。
现在将结合附图对本发明进行说明，该附图中的前述图1是构成本发明基础的理 想化构思的基本示意图；图2是用于实施本发明方法的优选设备的放大的等比例示意图，该优选设备包括 作为实现方式的固态转换阵列；图3是图2所示类型的新颖热电转换器单元的这种阵列的类似图；以及图4和图5分别是采用本发明实施例可获得的负载功率密度和效率的性能图。
具体实施例方式首先阅读我们所述的图1的工作路线图(roadmap)，这涉及一种理想化的理论解 释性方案，该方案包括由小的真空间隙g隔开的热端表面SH和并列放置的冷端载流子电 荷-电转换器表面sco在冷端上，图中示意地示出了第一量子阱wei，该第一量子阱wei具有 较低的电子电势能级1和较高能级2，其中从处于相对地电势的称为贮存器ri的电子源引 入或供应电子，使其进入低能级或低能态1。如后面所介绍的，在实际实现方式中，阱Wei可 以固有地位于量子点中，例如适当的半导体点，电子贮存器巧可以是导电网络的导体，该导 电网络将沿着冷端Se分布的点的阵列或矩阵中的这样的点互连起来，将在后面结合图2和 图3的实施例进行更充分的说明。静电耦合到热端表面的电荷产生了量子相关性。这在图1中示意性地表示为 连接到电子贮存器rh的具有两个能级的阱WH。由于电子从冷端贮存器。供应到的冷 端能级1，相应地，该电子与热端上的电荷之间的库伦静电耦合产生了冷端电子与该载流子 之间的量子相关性，从而提供了静电交互U，静电交互U引起激发能量从热端转移到冷端， 从而将冷端阱Wei中的电子升高到较高的电势能级或能态2，如符号U下面示出的向上箭头 部分所示。从该较高能态2，如用V示意性所示，电子可以在去往第二贮存器r2的途中以隧 穿方式穿过势垒PB，到达第二量子点阱We2中的匹配能级21，该第二贮存器r2处于相对大 地升高的电压处，如图中符号+示意所示。阱We2只允许一个能级——能级21。两个冷端贮 存器巧和巧通过电气负载(标记为“负载”)连接在一起。因而，当电子在第一量子阱 中被提升时，它们可能隧穿至第二阱We2，然后在终止于接地的第一贮存器ri之前继续做电 功。热端的能级弛豫至电子贮存器rh，其包括连续的激发能级，其中能级a耦合到具有 矩阵单元叫和m3的贮存器中的每个能级。热端阱WH上的电子与冷端上的电子之间的电场将产物能态(productstate) b > 1>和|a> | 2 >与耦合U进行耦合，从而可以越过间隙g发生激发转移。阱^的能级1然后弛豫至具有矩阵单元mi的贮存器iv阱We2的能级2’弛豫至具有矩阵单元m4的贮存
^^ 1*2 o该设备的基本机理在于热端的高温产生热端图像中的激发电子，该激发通过静 电交互耦合U (热端电荷与冷端电子之间，热端电荷本身耦合到激发的电子和声子模式)来 转移，从而将冷端电子从阱Wei中的能级1提升到能级2。因此，总括地说，冷端上的电子贮存器供应较低能态的电子；与热端的耦合使得电 子被提升到激发能态，然后电子进入处于升高电势的第二电子贮存器。连接在两个贮存器 之间的电气负载可以由所提升的电子产生的电流来驱动。这种方案可以适用于电子或空 穴(或者原则上两者)。我们将其称为“单一载流子转换器”，原因在于与在前面所述的 DiMatteo专利中创建了电子_空穴对的光伏技术相比，根据本发明，每次仅提升单一载流 子。物理实现方式图2给出了根据本发明构造的热电转换器的优选物理结构的分解图，该热电转换 器根据如图1中所述的本发明的方法来操作。如前所述，设备的冷端表面Se被显示为与热 端热发射器表面311并列放置，二者之间具有小的真空间隙g。冷端转换器包括由适当的半 导体小单元或点形成的阵列，其中将两个点显示为“点1”和“点2”，该阵列由公知的芯片技 术来实现并且位于由S示意性表示的芯片基板矩阵中。在实践中，这些半导体转换器点可 以采用任何期望的几何形状，例如示出的矩形盒子或条状元，其沿着表面Se (在表面Se或在 sc附近)支持并用作量子限制的电子能量激发能态阱(图1中的wa和\2)。其它形式的 这些半导体单元可以包括小的柱体或线、小的量子阱片(Sheet)，或者甚至分子。如前所述， 点单元等的阵列可以由导体网络进行导体互连，所述导体网络将电子馈送和输出到以适当 的串联和/或并联方式互连点单元阵列的相应单元(图1中的贮存器巧、r2等)以及从以 适当的串联和/或并联方式互连点单元阵列的相应单元接收电子，该点单元阵列还形成了 该设备的转换器芯片端的基板矩阵S。而且，在图2的设备中，这些电子“贮存器”导体的段 在“贮存器1”(图1中的巧)和“贮存器2”(图1中的r2)处以矩形截面的总线部分示出。根据本发明的突破性实现方式，在适当尺度的结构中，冷端表面&上的量子点中 的电荷将耦合到附近的导电热端表面的电荷，从而提供到表面电流的耦合，得到这里 给出的本发明的两级系统模型。在图2的设备中，热端表面311可以相应地是例如金属、半金属或高掺杂半导体的 简单平面。金属表面具有表面电荷，这些电荷作为能量间距为零的有效偶极子，其耦合到热 激发的电子和声子。跨过间隙g，冷端被显示为包括前面提到的位于表面Se上的两个量子 点；点1具有两个能级(图1的阱Wei)，它们通过前面所述的静电库仑耦合交互而耦合到热 端偶极子。点2具有一个能级(在图1的阱We2中)，并且它通过隧穿(V)耦合到点1的激 发的较高能级(图1的阱Wei中的能态2)。如前所述，点1的较低能级(阱Wei中的能级1) 弛豫至地电压导体贮存器1 (图1中的。点2的能级弛豫到处于升高的电压+的导体贮 存器2。贮存器导体1被显示为具有水平分支的总线部分，其从总线导体的垂直支柱处延 伸，以便耦合点1的较低能级，该分支水平地指向点1且面对点1的中心，并与其保持一定 距离。贮存器导体2被显示为与点1平行，并且该贮存器导体2沿着紧邻点2的表面Sc平 行地延伸，并与其保持一定距离。如果需要，这些点和导体单元还可以被取向为其它角度，包括与表面Se的平面基本垂直。如图3所示，重复冷端的结构，使其成为表面Se上的阵列，其中贮存器1的导体总 线链接在一起，并且贮存器2的导体总线链接在一起，在贮存器1和2内，通过如图1所示 的负载连接起来。在该实现方式的模拟特定结构设计中，我们得到了下面的示例性结果。热端的温 度是1300K，冷端的温度是300K。点1的x*y*z尺寸是120 A *100 A *100入，点1具有优选 材料InSb。点1能级的能量间距为0. 2eV。InSb在0. 2eV下的弛豫时间为lps。在该装置 中，热端是金属铜，其在0. 2eV下的弛豫时间为0. 57ps。点2的尺寸为50 A *100人*100 A ，并水平地指向点1的顶部。(图2未按比例绘制)。点2具有材料Gaa31In(1.69Sb。点1与 点2之间的距离是100入。贮存器1的分支被水平地放置为与点1的中心相距50入。贮存 器2位于邻近点2的50 A处。两个贮存器都优选由n类型的InSb构成，对其进行的掺杂使 得其在0. 2eV下的弛豫时间为10ps。对于掺杂度为3X 1017cm_3的n类型InSb在0. 2eV下 的弛豫时间是52ps，并且预计随着掺杂度增加，弛豫时间将降低到零，这是因为这是DC下 的特性。因此，对于任何期望的弛豫时间，存在对应的掺杂度。冷端的周围的矩阵材料基板 优选是GaSb。如前所述，表面电荷与冷端偶极子之间的静电交互与电准静态方式下的真空间隙 的厚度无关。但是，对于厚度大于与冷端能级1和2的能量间距除以2 ji相对应的波长的 情况而言，横向光子的影响可能会损害设备的性能。对应于0. 2eV的吸收波长是6. 2i!m，因 此间隙在此情形下应当低于约1 P m。作为设备电压的函数，图4和图5分别示出了负载的功率密度和效率。每单位活 动区域最大功率的初始估计值是202W/cm2，其出现在电压107mV处。图5示出的最大效率 49. 8%出现在电压129mV处。本领域技术人员可以想到进一步的修改，这些修改应当被认为落入了由所附权利 要求限定的本发明的精神和范围之内。
权利要求
一种热电转换装置，所述热电转换装置包括由小的真空间隙或气体间隙隔开的并列放置的较热表面和较冷表面，所述冷表面提供单一电荷载流子转换器单元的芯片阵列，而通过库伦静电耦合交互，所述热表面以静电方式使激发能量跨过所述间隙转移到相对的冷表面转换器单元。
2.根据权利要求1所述的转换装置，其中将来自第一电子贮存器的电子引入到所述冷 表面上的每一个转换器单元的较低能级激发态，然后跨过所述间隙将所述电子库伦耦合至 所述热表面上的载流子电荷，在所述电子与所述载流子电荷之间产生量子相关性，所述量 子相关性引起从所述热表面到所述冷表面的激发转移，所述激发转移将所述电子提升到较 高能级激发态。
3.根据权利要求2所述的转换装置，其中所述激发的较高能级态电子随即隧穿至第二 冷表面电子贮存器，相对于所述第一贮存器，所述第二冷表面电子贮存器保持在升高的电 势，并且将电气负载连接在所述第一贮存器和所述第二贮存器之间，所述电气负载由所提 升的电子引起的电流来驱动。
4.根据权利要求3所述的转换装置，其中每次仅提升单一类型的载流子电荷。
5.根据权利要求4所述的转换装置，其中所述单一载流子电荷是电子或空穴之一。
6.根据权利要求3所述的转换装置，其中所述转换器单元包括半导体单元的阵列，沿 所述冷表面，将所述半导体单元的阵列芯片集成在矩阵基板中，并且所述半导体单元的阵 列由所述芯片基板内的电子贮存器导体或总线的网络来互连，从而在所述阵列的单元的多 者之间以及二者之间提供适当的串联和/或并联连接。
7.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述阵列中的相应的所述第一和所述第二电 子贮存器导体或总线组共同连接到所述负载的相对的两端。
8.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述半导体单元具有InSb材料和/或 Ga0.3iIn0.69Sb #14。
9.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述热表面的所述材料选自于由下述材料构 成的组平金属、金属铜、半金属以及高掺杂的半导体材料。
10.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述电子贮存器导体或总线具有η型掺杂的 InSb0
11.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述冷端上的所述芯片矩阵基板为GaSb。
12.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述热表面大约为1300K，所述较冷表面大 约为300K。
13.根据权利要求6所述的转换装置，其中所述载流子转换器单元采用由各种几何形 状的一个或多个半导体点或条、半导体短柱体或线、以及提供集成在所述芯片基板中的量 子阱的小片构成的阵列形式。
14.根据权利要求13所述的转换装置，其中所述半导体单元和所互连的导体或总线集 成在所述基板中，其中一些被取向为平行于所述冷表面，一些被水平和/或垂直取向。
15.根据权利要求13所述的转换装置，其中所述点或条的尺寸大约为50A至120 A。
16.一种将热能转换成电能的方法，该方法包括并列放置由小的间隙隔开的较冷端 转换表面和较热端辐射表面；在所述冷表面上或其附近提供较低能态电子；将所述较低能 态电子库仑耦合到所述热表面上的载流子电荷；通过所述耦合将热量从所述热端表面转移到所述冷端表面的较低能态电子，从而将所述较低能态电子激发到较高能态；在所述冷表 面处或其附近收集所述较高能态电子，以生成较高电势；以及响应于所述较高电势来提取 所转换的电能。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述转换冷端表面包括互连的转换器单元的阵 列，每一个转换器单元具有相应的支持所述较低电子能态和较高电子能态的量子阱，并且 所述转换器单元的阵列保持在地电势。
18.根据权利要求17所述的方法，其中收集所述较高能态电子是通过在所述冷端上的 这种接地阱和较高电势阱之间进行隧穿实现的。
19.根据权利要求16所述的方法，其中使所述转换器单元每次仅提升单一类型的载流 子电荷。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述单一类型的载流子电荷是电子或空穴之
全文摘要
一种改良的热电转换方法和装置，包括并列放置的较热表面和较冷表面，所述较热表面和较冷表面由小的真空间隙隔开，其中所述冷表面沿着该表面提供单一载流子转换器单元的阵列，而通过库伦静电耦合交互，所述热表面使激发能量跨过所述间隙转移到相对的冷表面。
文档编号H01J45/00GK101904024SQ200780037442
公开日2010年12月1日 申请日期2007年8月6日 优先权日2006年8月7日
发明者D·吴, P·哈格尔施泰因 申请人:Mtpv公司