動態同質二極體直流發電機：輕質化、低阻耗、可集成｜浙江大學林時勝團隊
2020-07-20 科技導報
近期，浙江大學林時勝團隊提出了一種內建電場驅動下的矽基動態同質二極體直流發電機，在機械能的作用下通過半導體費米能級差形成界面內建電場反彈界面載流子，構建了動態半導體二極體中的半導體物理框架，相關成果以「Interfacial Built-In Electric Field-Driven Direct Current Generator Based on Dynamic Silicon Homojunction」為題發表在Research上（2020年6月16日，Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/5714754，第一作者是博士生陸陽華）。
研究背景
法拉第電磁發電機推動了人類進入電氣時代，改變了人類社會發展的歷史進程，使得電能成為了人類生活必不可少的一部分。20世紀二極體的出現誕生了信息文明。隨著物聯網、人工智慧、大數據等新興行業的興起，對能源供應技術提出新的要求，急需尋找一種可隨時隨地獲取環境能源不受環境限制的原位能源獲取發電機。如何應對不同應用場合的電源供應需求，設計新型輕質化、可集成、便攜柔性的發電機能源是目前的重中之重。對電子產生以及輸運過程的認識不僅僅是促進信息化社會的根源，也是滿足人類社會能源獲取需求的關鍵。自從19世紀40年代二極體發現以來，包括集成電子和光電器件在內的眾多基於半導體物理結構的應用，推動了人類信息化發展。然而相對於靜態的二極體，動態二極體很少被關注。相對於廣泛應用於信息器件領域的靜態二極體，動態二極體正是解決新時代原位能源領域需求的全新解決方案。與電磁發電機等相比，動態二極體發電機具有輕質化、低阻耗、可集成等優勢。
研究進展
浙江大學信電學院林時勝領導的高效發電與信能一體化團隊近來發現了基於動態肖特基二極體結構的高電流密度直流發電機，並提出基於半導體理論的物理圖像（Adv. Mater., 2019, 31, 1804398; Matter, 2019, 1, 639; Adv. Sci., 2019, 6, 1901925）。隨後擴展到半導體PN結二極體中，建立相應的半導體理論框架（Arxiv:1901.00701; Research, 2019, 5832382; iScience, 2019, 22,58）。在此基礎上，發現具有相同摻雜類型的同種半導體，特別是動態NN結也可以輸出直流電進一步系統完善了的動態半導體二極體的半導體理論框架，驗證了半導體費米能級差與界面內建電場在載流子輸運過程的重要作用。動態半導體同質結一定程度上解決動態二極體的半導體界面失配問題，降低界面載流子的能量損耗；同時將電子作為多數載流子的動態NN結電荷遷移率高，更適合於產生高電流輸出。圖1是動態矽NN結直流發電機，具有高電流密度、不受環境和外加電路限制、可連續穩定發電的優點，在便攜化的智能可穿戴設備以及自驅動的物聯網傳感器中有很好的應用前景。
圖1 動態矽NN結直流發電機
動態矽NN結二極體界面處的非對稱擴散-漂移電流與界面電荷的載流子反彈效應是電流產生的根源，等效於一個結電容的動態充放電過程，因此調整界面勢壘高度與內建電場是設計動態NN結二極體發電機的關鍵。相對於動態PN器件，動態NN器件的發電電流更高，這是由於矽中電子遷移率高於空穴遷移率。圖2是對不同電阻率的N型矽基動態NN結髮電機性能與費米能級差的關係進行研究，發現器件電壓與動態NN結的中半導體費米能級差正相關。
圖2 動態矽NN結二極體直流發電機中的發電電壓與電阻率的關係
進一步通過在界面插入一層介電層，可以有效調節 S-i-S結構界面的勢壘高度，並實現對器件電壓的可靠設計，有效提升電壓。動態NN結二極體發電機輸出電流密度高達214.0 A/m2，可以給基於二極體元件的信息器件快速供電。由於可連續輸出穩定直流電，供電過程中無需外加整流電路與儲能單元，更是具有輕質化、便攜等特點。特別值得注意的是，動態NN結二極體發電器件的內部阻抗是相當低的(~ 3.6kΩ)，與半導體元器件的的阻抗更匹配(kΩ級別)。以上均表明其作為新一代的輕質化、柔性高效原位能源獲取技術可應用於可穿戴電子設備供電領域。
未來展望
動態半導體二極體直流發電機可以實現對基於半導體二極體的電子元器件的實時高效供電，無需外加整流電路以及電量存儲單元，作為新一代的輕質化柔性高效原位能源獲取技術可以應用於可穿戴電子設備供電領域。動態半導體二極體發電機高電流密度(~100 A/m2)、低內部阻抗功耗( kΩ級別)的優勢，更是有望實現與基於半導體二極體的信息系統集成化，進而實現信息-能源一體化。
作者簡介
林時勝，博士生導師，現任浙江大學信息與電子工程學院、微電子學院教授，帶領高效發電與信能一體化團隊在高效光電和發電器件領域取得了一些重要研究成果，包括高效新型發電器件、高效太陽電池、高效自驅動光電探測等方向。率先提出了動態二極體發電機的概念與器件物理框架。目前已在Research, Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Sci., Adv. Energy Mater., iScience, Matter, Adv. Funct. Mater., Nano Energy等期刊發表學術論文近80篇，google引用超3000次。授權發明專利近20項，擔任Science Bulletin副主編等學術兼職。林時勝個人主頁：https://person.zju.edu.cn/shishenglin
《Research》是中國科協與美國科學促進會於2018年共同創辦的定位為國際化、高影響力、世界一流水平、綜合性、大型OA科技期刊，是美國《Science》自1880年創刊以來第一本合作期刊。主要發表生命科學、新材料、新能源、人工智慧、微納米科學、環境科學、機械科學、機器人與先進位造8個具有巨大發展潛力的熱點交叉領域突破性研究成果。目前已建立了93人的國內外各佔50%、具有國際影響力的編委會，主編(中國)為西北工業大學常務副校長、中科院院士黃維，主編(國際)為美國明尼蘇達大學麥克凱特傑出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus資料庫收錄。
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