[发明专利]电荷穿梭纳米发电机及供能器件

说明书

一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件，电荷穿梭纳米发电机包括：主发电机、载流子约束结构以及载流子提供源。主发电机中的第一主发电机电极与载流子约束结构中的第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域。载流子提供源具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子。随着第一主发电机电极和第二主发电机电极之间的局部电容发生变化，使得正载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，负载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。电荷密度不再主要依赖于摩擦而产生、且不受空气击穿的约束，电荷密度大幅提升，输出功率得以增强。

技术领域

本公开属于纳米新能源及机械能收集技术领域，涉及一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件。

背景技术

摩擦纳米发电技术的基本原理是利用摩擦或接触在两个表面生成静电荷，其中发生摩擦或接触的两个表面至少一个为绝缘材料的表面，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，从而在感应电极中驱动自由电荷定向移动，实现对环境中机械能的收集，并将机械能转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。

表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的输出功率密度的重要因素。摩擦纳米发电机中的表面静电荷由两表面摩擦或接触产生，一般通过剧烈摩擦或接触才易于产生高的电荷密度，但这种情况下表面容易产生较大的发热和磨损，影响器件寿命，同时，电荷密度还受到空气击穿等约束，这些因素制约了表面电荷密度及输出功率密度的进一步提升，阻碍了摩擦纳米发电机技术的产业化进程。

因此，有必要提出一种具有高的输出功率密度的纳米发电机，且该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束，以促进摩擦纳米发电机的产业化进程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种电荷穿梭纳米发电机及供能器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种电荷穿梭纳米发电机，包括：主发电机，包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极；载流子约束结构，包括间隔设置的第一载流子约束结构和第二载流子约束结构；其中，第一主发电机电极与第一载流子约束结构电学连接，构成正导电域；第二主发电机电极与第二载流子约束结构电学连接，构成负导电域；以及载流子提供源，具有两个输出端，用于向正导电域和负导电域分别注入对应电性的载流子，载流子包括：电子或离子；其中，随着主发电机中第一主发电机电极和第二主发电机电极的局部电容发生变化，使得带有正电的载流子被约束在正导电域中来回穿梭运动，带有负电的载流子被约束在负导电域中来回穿梭运动，在正导电域和负导电域均产生电能。

根据本公开的一实施例，主发电机包括以下类型发电机的至少一种：接触-分离式纳米发电机、滑动式纳米发电机、旋转式纳米发电机、自由摩擦层式纳米发电机。上述主发电机除了包括间隔设置的第一主发电机电极和第二主发电机电极之外，还包括主发电机电介质层，该主发电机电介质层设置于所述第一主发电机电极和所述第二主发电机电极之间。主发电机电介质层的个数不作限制，可以是一个主发电机电介质层，与其中一个主发电机电极进行固定；也可以有两个主发电机电介质层分别与第一主发电机电极和第二主发电机电极固定。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极以及主发电机电介质层，主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，主发电机电介质层与第二主发电机电极相对设置，且能够发生接触-分离。

根据本公开的一实施例，接触-分离式纳米发电机包括：第一主发电机电极、第二主发电机电极、第一主发电机电介质层以及第二主发电机电介质层，第一主发电机电介质层与第一主发电机电极固定，第二主发电机电介质层与第二主发电机电极固定，第一主发电机电介质层与第二主发电机电介质层能够发生接触-分离。