[发明专利]一种接触分离式半导体摩擦发电机

说明书

本发明公开了一种接触分离式半导体摩擦发电机，在现有技术的基础上，增加了覆盖在一侧极板接触面上并有一系列空隙的绝缘层，而未覆盖绝缘层的另一侧极板在接触力的作用下可以产生弹性形变，使其接触面在绝缘层空隙形成凸起，或未覆盖绝缘层的另一侧极板接触面在绝缘层空隙处设置有凸起，从而实现P型半导体(金属)极板与N型半导体极板的接触，并在接触位置周边形成空间电荷区。这样在两侧极板分离时，接触点(位置)先分开。绝缘层所在位置形成平板电容器，将两侧的电压升幅限制在较小区间，因此，分离过程中通过接触点的反向漏电流很小，分离后可以将尽可能多的电荷保留在两侧极板中，从而提升了能量收集的效能。

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，更为具体地讲，涉及一种接触分离式半导体摩擦发电机。

背景技术

摩擦发电机原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。通常，当两种材料相互接触时，界面的某些部位形成了化学键，电荷在界面之间转移以平衡电化学势，从而产生摩擦电荷。在外力驱动下，摩擦带电的界面之间相互运动，导致TENGs中的电势差呈周期性变化。在短路条件下，交变电流流经负载，以达到两个电极之间的静电平衡。

在2015年01月07日授权公告的，授权公告号为102710166B、名称为“一种摩擦发电机”的中国发明专利中，公布了一种摩擦发电机，包括第一电极、第二电极和居间薄膜，第一电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；第二电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层，另一侧表面固定有居间薄膜，居间薄膜非固定面设有微纳凹凸结构；在第二电极上居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；第一高分子聚合物绝缘层的导电薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。该发明提供了一种利用摩擦作用获得能量的革新而有效的方法，依靠内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，它是一种简单、高效和低成本的方法。其中，居间薄膜微纳凹凸结构的作用为：(1)、具有微纳凹凸结构的薄膜的摩擦效应远远高于同等厚度的平板薄膜，一个均匀的粗糙表面具有较大的接触面积，能够在摩擦过程中产生更多的表面电荷；(2)具有微纳凹凸结构的薄膜在摩擦过程中其内电容的容量显著提高，这是由于空气空隙的存在和有效介电常数的增加。

在2016年12月28日授权公告的、授权公告号为CN104426416B、名称为“应用半导体复合材料的摩擦发电机”的中国发明专利中，公布了一种摩擦起电的发电机，通过周期的弯曲和释放来发电。该摩擦发电机包括层叠设置的第一电极层，第一聚合物材料层，和第二电极层，其中第一聚合物材料层所用材料是金属掺杂聚合物的半导体复合材料。该发明掺杂金属颗粒到绝缘聚合物中，降低聚合物的电阻率，使其体积电阻率介于金属体积电阻率和绝缘材料体积电阻率之间的水平。该发明摩擦发电机可以有效降低发电机的工作内阻，在一定范围内可以提高摩擦发电机的负载能力。

上述两件发明专利摩擦发电机都是横向滑动模式的摩擦发电机，通过柔性材料的弯曲与释放来发电。

对于接触分离式半导体摩擦发电机，利用P型半导体(金属)、N型半导体具有不同的费米能级来实现。当P型半导体(金属)与N型半导体接触时，电子从费米能级高的N型半导体流向费米能级低的P型半导体(金属)，直到二者具有统一的费米能级。如图1所示，电子的移动，使得原本不带电的P型半导体(金属)带负电，N型半导体带正电，接触的二者之间形成空间电荷区，整体对外不显示电性。此时，如再施加外力，将P型半导体(金属)与N型半导体分离，因为在分离过程中，P型半导体(金属)与N型半导体间形成反向偏置，漏电流较小，从而在二者完全分离后，P型半导体(金属)与N型半导体仍然带有一定量的电荷，并形成平板电容器。二者之间的电压也随着分离距离的增大和相对面积的减小而上升。此时如在P型半导体(金属)与N型半导体间连接上负载，P型半导体(金属)与N型半导体上剩余的电荷将流经负载后进行中和。再次将P型半导体(金属)与N型半导体接触后分离，并反复重复进行，这样就形成了半导体接触分离式摩擦发电(静电感应发电)