使用固态装置作为能量转换器并且使用纳米工程多孔性网状材料的预平衡系统和方法
【技术领域】
[0001]本专利文献一般涉及能量转换系统并且更具体来说涉及使用固态发电机产生电功率、辐射束或机械运动的方法和系统，所述固态发电机具有包含多孔性材料网状结构(例如纳米线阵列或纳米工程结构，或纳米粒子，或胶体糊状物)的平面或三维表面。
【背景技术】
[0002]最近已证实使用固态发电机将化学能和其它能量形式转换成电，例如美国专利第6,114,620号、第6,218,608号、第6，222，116号、第6，268，560号、第6，327，859号、第6，649，823号、第7，371，962号以及第7，663，053号中所解释。美国专利第6，114,620号、第6，218，608 号、第6,222,116 号、第6,268,560 号、第6,327,859 号、第6,649,823 号、第 7,371,962 号以及第7，663，053号以全文引用的方式并入本文中。此类能量转换装置有效转换化学和其它能量形式。举例来说，本文的图1示出了固态发电机以及显示此类装置的特征的曲线。如本文图1-A中的横截面中所示，电荷载流子(一般为电子e—)在传导面1A上或附近由激发器12A供能。电荷载流子例如通过化学反应或其它能量形式供能。在每种情况下，将电荷载流子注入到半导体导带中。举例来说，电荷载流子以弹道形式从导体1A移动到半导体或介电质IlA中。导体1A很薄使得电子以弹道形式有效通过其行进，不因为与其它电子、声子或原子碰撞而失去大量能量。因为半导体导带与导体或传导催化剂的费米能级(Fermi level)之间存在能量偏移，所以结果为跨越正极17A和负极16A的电压14A。在图1-A中，介电质结15A为经专门选择以形成趋向于阻碍电子弹道式运动的电势电压势皇的半导体结，如图1-B中的IlB所示。图1-B显示装置中的电势随着零偏移时沿装置的距离而变化。
[0003]电势电压势皇可以使用许多方式中的任一种来形成，例如图1-C中所示的肖特基势皇、图1-D中的p-n结或图1-E的导体-介电质-导体结。介电质是导电的。正向偏压二极管提供一种最简单的方法来执行这一能量转换装置。图1-C描绘正极端子为导体/金属的正向偏压肖特基二极管。
【发明内容】
[0004]本发明专利文献描述具有新颖三维装置结构的多个实施例，所述结构可以在平面二维衬底或三维衬底上。二维或三维衬底可以是刚性或柔性/可折叠的。多个实施例通过提高装置的每个二维区域单元可产生的功率(即电)量改进早期固态发电机。本文所述的新颖装置结构具有固态结。这些装置结构包含多孔性半导体或介电质以及导体和/或催化剂的纳米簇以形成固态结。尽管复合物系统中存在空隙，但不同多孔性半导体/导体或传导催化剂材料例如可以是整合系统或所述材料可以物理连接成网状结构。材料形成纳米大小的簇时，就是纳米簇。固态结可以是(但不限于)肖特基二极管或P-n结。还揭示制造用于产生电或其它能量形式的所披露的装置结构的方法/工艺。
[0005]披露将化学能转换成电或其它能量形式的能量转换装置。能量转换装置的第一方面包含连接到衬底的第一电极。多孔性半导体(或介电质)层安置于衬底上，其中在衬底与多孔性半导体(或介电质)层之间有任选的无孔半导体(或介电质)层。多孔性半导体层具有纳米工程结构。多孔性催化剂材料位于多孔性半导体(或介电质)层的至少一部分。至少一些多孔性催化剂材料进入多孔性半导体层的纳米工程结构，形成交织区。存在第二电极，并且在燃料、多孔性催化剂材料和多孔性半导体层之间发生化学反应期间在第一电极和第二电极之间形成电势。还存在从固态发电机去除热的散热片，其中散热片的散热片温度高于环境温度。
[0006]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经图案化形成三维表面，由此提供用于化学反应的增加的表面积。
[0007]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经图案化形成纳米线。
[0008]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经纹理化形成峰和谷。
[0009]在本文披露的另一方面，能量转换装置在衬底和多孔性半导体层之间具有无孔半导体层。
[0010]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为二维和平面的。
[0011]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为三维的并且具有内部和外部表面。
[0012]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为刚性的。
[0013]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为柔性的。
[0014]在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为可折叠的。
[0015]在本文披露的另一方面，固态结为肖特基二极管。
[0016]在本文披露的另一方面，固态结为p-n结。
[0017]在本文披露的另一方面，固态结为导体-介电质、介电质-介电质、导体-介电质-导体或介电质-导体-介电质结。
[0018]在本文披露的另一方面，多孔性半导体层包含选自以下的半导体材料:包括结晶、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的材料群组，以及包含PTCDA或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐的有机半导体。
[0019]在本文披露的另一方面，纳米级导体簇的不连续多孔性覆盖率超过多孔性半导体层。
[0020]在本文披露的另一方面，导体层包含多个纳米级簇。
[0021 ]在本文披露的另一方面，纳米级簇包含催化剂。
[0022]在本文披露的另一方面，一或多个能量转换装置电串联、电并联或串联和并联的组合连接。
[0023]在本文披露的另一方面，一或多个能量转换装置热串联、热并联或串联和并联的组合连接。
[0024]在本文披露的另一方面，能量转换系统包含一或多个能量转换装置的活性表面上的汇流条，其尺寸大于隧穿尺寸。
[0025]固态发电机可以通过化学反应能量、光伏或热梯度供能，并且其可以制造于刚性衬底或柔性/可折叠衬底上。装置从化学反应能量产生机械运动由以下组成:使液压流体与纳米工程结构的非反应侧接触，导体/催化剂和纳米工程结构的表面经机械成形以提高流体受到的单向力。还可以使用例如纳米试管的其它方法来转换成机械能。在反应产物与其周围环境平衡之前的短暂间隔期间，设备将大部分此类产物能量转换成有用功。本发明涉及在达到热平衡之前，以释放的能量的形式从催化剂表面上发生的化学反应提取电或机械能或相干辐射。
【附图说明】
[0026]作为本说明书的部分包括在内的附图展示了多个实施例，并且连同上文给出的总体描述和下文给出的实施例的详细描述一起用来阐明和传授本文所述的原理。
[0027]图1-A不出了固态发电机。
[0028]图1-B示出了势能对比与装置的最高表面的距离的曲线，并且所述曲线指出固态结中电势势皇的作用。
[0029]图1-C示出了具有肖特基势皇的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
[0030]图1-D示出了具有p-n结电势势皇的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
[0031]图1-E示出了具有导体-介电质-导体电势势皇的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
[0032]图2示出了导体和/或催化剂-半导体界面的能带图。
[0033]图3示出了EMF产生机构的示意图。
[0034]图4示出了具有导体和/或催化剂的纳米线材料阵列的一部分的示意性横截面，所述阵列可以是传导催化剂网状结构。
[0035]图5a描绘三维多孔性网状结构的横截面图，所述三维多孔性网状结构由多孔性导体和/或催化剂组成，所述催化剂可以是与平面二维衬底上的另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。可任选地在平面衬底与上述多孔性三维层/网状结构之间插入无孔夹层。
[0036]图5b为由多孔性导体和/或催化剂组成的三维多孔性网状结构的横截面显微图，所述催化剂可以是与另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。
[0037]图5c为具有三维多孔性网状结构的能量转换器的俯视显微图，所述三维多孔性网状结构由多孔性导体和/或催化剂组成，所述催化剂可以是与另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。
[0038]图6示出了具有多单元装置结构的能量转换器，所述多单元装置结构具有三维多孔性导体和/或催化剂的多个层，其可以是在平面衬底上的传导催化剂，和三维多孔性半导体或介电质网状结构。可以在平面二维衬底和上述多孔性三维层/网状结构之间插入或不插入无孔夹层。
[0039]图7示出了具有多孔性导体和/或催化剂的图案化三维网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是在三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间插入任选的无孔层。
[0040]图8示出了具有多孔性导体和/或催化剂的三维多孔性衬底/支撑层(部分或完全)网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间插入任选的无孔层。
[0041]图9a示出了具有多孔性导体和/或催化剂的纹理化三维网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是在三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间插入任选的无孔层。
[0042]图9b为如图9a的三维纹理化衬底上的示范性三维能量转换器的横截面的显微图。
[0043]图9c为如图9a的三维纹理化衬底上的示范性三维