一种超快电子传输压电俘能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超快电子传输压电俘能器及其制备方法，包括量子点电荷传输压电俘能板和固定装置，量子点电荷传输压电俘能板与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板包括基板、压电元件层和N型量子点电荷传输层，压电元件层和N型量子点电荷传输层依次铺设于基板上。实现将压电元件层产生的交流电能直接整流转化为直流电能并能超快速传出，无需再加装外部能量采集电路，极大降低了电能的损耗，便于器件的集成化与小型化，提高了压电俘能器件的能量采集转化效率。

A Piezoelectric Capture for Ultra-fast Electron Transfer and Its Preparation Method

The invention discloses an ultra-fast electronic transmission piezoelectric energy trap and its preparation method, including a quantum dot charge transfer piezoelectric energy trap plate and a fixing device, a quantum dot charge transfer piezoelectric energy trap plate connected with a fixing device, a quantum dot charge transfer piezoelectric energy trap plate including a substrate, a piezoelectric element layer and a N-type quantum dot charge transfer layer, a piezoelectric element layer and a N-type quantum dot charge transfer layer. Subsequently laid on the substrate. It realizes the direct rectification of AC power generated by piezoelectric element layer into DC power and can transmit it very quickly without additional external energy acquisition circuit, which greatly reduces the loss of electric energy, facilitates the integration and miniaturization of devices, and improves the energy acquisition and conversion efficiency of piezoelectric energy capture devices.

【技术实现步骤摘要】
一种超快电子传输压电俘能器及其制备方法
本专利技术涉及能量采集
，具体涉及一种超快电子传输压电俘能器及其制备方法。
技术介绍
基于压电效应的机械能-电能转化过程可将环境中不被利用的机械能如噪声、振动、人体运动等转化为电能。相对于其他环境能量采集方式，压电式能量采集可以持续、稳定的、经济的采集环境振动能量，其能量密度高、结构简单、发热小、无电磁干扰等优点，可代替电化学电池成为物联网设备、传感器网络节点、可穿戴或植入电子设备等新的自供电电源，引起了材料科学、信息、自动控制等不同学科领域的共同关注。压电式能量俘能器可以利用机械振动产生电能。研究人员努力优化机电结构，并设计必要的外部电荷传输电路，来为电池提供高功率和电荷传输输出。机械结构的复杂变形导致了相反极性的电荷出现在压电材料相同的表面，所以正负电荷很容易发生复合，只有将这些正负电荷有效分离并且快速传导至外电路才能得到高性能的压电能量俘能器。然而由于压电产生电荷通常寿命较短，而体材料体积较大。通常情况下，电子从产生到湮灭所运动距离小于体材料半径，所以产生的压点电荷很大一部分还未传到外电路就进行了复合，造成了电能的损失。在量子点材料中，由于量子点体积极小，可使压点电荷有足够的寿命传至量子点的表面从而有效的将正负电荷分离，并快速传至外电路，可大大降低电能的损耗。压电俘能器正常工作时，量子点因其能带结构可受尺寸调控，所以可以与众多压电材料的能级相匹配，成为一种优异的电荷传输材料。其中，N型半导体量子点传输材料在兼具量子点超快电子传导的同时，其内部施主杂质能够向导带提供更多的电子，使得载流子传输过程中电子浓度显著增加，其内部负电荷(电子)传输速率远远大于正电荷(空穴)的传输速率，正电荷(空穴)的传输速率可忽略不计。宏观表现为压电材料表面产生的负电荷(电子)将通过量子点材料传输至金属电极，正电荷(空穴)不能通过量子点材料传输，量子点材料就直接代替了外部电荷传输电路的作用，对压电俘能器产生的交流电同时实现了自电荷传输，也提高了能量采集和转化效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种超快电子传输压电俘能器及其制备方法，实现将压电元件层产生的交流电能直接整流转化为直流电能并能超快速输出，无需再加装外部的电荷传输电流，极大降低了电能的损耗，便于器件的集成化与小型化，提高了压电俘能器件的能量采集转化效率。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种超快电子传输压电俘能器，包括量子点电荷传输压电俘能板和固定装置，量子点电荷传输压电俘能板与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板包括基板、压电元件层和N型量子点自电荷传输层，压电元件层和N型量子点自电荷传输层依次铺设于基板上。按照上述技术方案，量子点电荷传输压电俘能板的一端与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板的另一端悬置，形成悬臂梁式振动支撑结构。按照上述技术方案，N型量子点电荷传输层连接有外部储能装置。按照上述技术方案，压电元件层为压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜、压电聚合物和压电复合材料中的一种或任意几种的组合。按照上述技术方案，压电元件层为PZT压电薄膜。按照上述技术方案，N型量子点电荷传输层与压电元件层需要满足以下条件：且则N型量子点自电荷传输层与压电元件层之间形成自电荷传输，其中N型量子点自电荷传输层与压电元件层接触造成材料间的能带结构偏移，产生电势差，VD是N型量子点自电荷传输层和压电元件层的接触电势差，VD1为在N型量子点自电荷传输层处的电势差，VD2为在压电元件层处的电势差，ND1为N型量子点自电荷传输层的载流子浓度，ND2为压电元件层的载流子浓度，ε1为N型量子点自电荷传输层的介电常数，ε2为压电元件层的介电常数。按照上述技术方案，N型量子点自电荷传输层为N型CdSQD空穴传输层。按照上述技术方案，基板的材料为Pt/TiO2/SiO2/Si。制备以上所述的超快电子传输压电俘能器的方法，包括以下步骤：1)采用磁控溅射法在基板上制备PZT压电薄膜；2)采用一壶法制备量子点前驱体溶液；3)将量子点前驱体溶液旋涂于PZT压电薄膜上，形成N型量子点自电荷传输层；4)将基板的一端与固定装置连接，形成悬臂梁式支撑结构。按照上述技术方案，所述的步骤2)中，采用一壶法制备量子点前驱体溶液具体过程包括以下步骤：A)将一定量的氧化镉、硫脲、十八烯、丙三醇和油酸加入到容器中；B)向容器内通氩气，并对容器中的溶液加热搅拌，得到CdS原液；C)将CdS原液转至分液漏斗中，待十八烯相和丙三醇相分开后，分离出上层油相；D)将得到的油相置于烧杯中，加入2倍体积的正己烷，玻璃棒搅拌，至溶液混合均匀；E)不断加入丙酮，搅拌，至絮状沉淀不再析出，溶液呈悬浮液状；F)将悬浮液分装至离心机中，对悬浮液进行离心分离，分离结束后，保留沉淀，加入正己烷溶解；G)重复步骤C)～F)多次，直至将CdS量子点分散于正己烷中。按照上述技术方案，所述的步骤A)中，氧化镉、硫脲、十八烯、丙三醇和油酸的称取量分别为0.128g、0.038g、8mL、10mL和2mL，容器的容量为50mL。按照上述技术方案，所述的步骤F)中，通过离心机对悬浮液离心分离的转速为2200～2800r/min，离心分离时间为15～25min。本专利技术具有以下有益效果：通过N型量子点电荷传输层与压电元件层的直接贴合，实现将压电元件层产生的交流电能直接整流转化为直流电能并能超快速输出，无需再加装外部电荷传输，极大降低了电能的损耗，便于器件的集成化与小型化，提高了压电俘能器件的能量采集转化效率。附图说明图1是本专利技术实施例中超快电子传输压电俘能器的结构示意图；图2是受拉应力时图1的K局部示意图；图3是受压应力时图1的K局部示意图；图4是本专利技术实施例中量子点电荷传输压电俘能板振动时发电原理图；图5是本专利技术实施例中量子点电荷传输压电俘能板未振动时正负电荷分布图；图6是本专利技术实施例中N型电荷传输压电俘能器的能级结构示意图；图中，1-基板，2-压电元件层，3-N型量子点自电荷传输层，4-固定装置，5-量子点电荷传输压电俘能板，6-正电荷，7-负电荷，8-Pt电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。参照图1～图6所示，本专利技术提供的一个实施例中的超快电子传输压电俘能器，包括量子点电荷传输压电俘能板5和固定装置4，量子点电荷传输压电俘能板5与固定装置4连接，量子点电荷传输压电俘能板5包括基板1、压电元件层2和N型量子点自电荷传输层3，压电元件层2和N型量子点自电荷传输层3依次铺设于基板1上；量子点电荷传输压电俘能板5以固定装置4为支撑点振动形成振幅，由振动使压电元件层2产生电能，将振动能转化为交流电能，N型量子点自电荷传输层3与压电元件层2贴合并直接将交流电能转化为直流电能，并对外输出。进一步地，量子点电荷传输压电俘能板5的一端与固定装置4连接，量子点电荷传输压电俘能板5的另一端悬置，形成悬臂梁式振动支撑结构。进一步地，量子点电荷传输压电俘能板5与固定装置4之间的连接方式除了形成悬臂梁式振动支撑结构，也可形成简支梁式振动支撑结构、圆形振动支撑结构、钹型振动支撑结构和Rainbow型振动支撑结构。进一步地，N型量子点自电荷传输层3连接有外部储能装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超快电子传输压电俘能器，其特征在于，包括量子点电荷传输压电俘能板和固定装置，量子点电荷传输压电俘能板与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板包括基板、压电元件层和N型量子点电荷传输层，压电元件层和N型量子点电荷传输层依次铺设于基板上。

【技术特征摘要】
1.一种超快电子传输压电俘能器，其特征在于，包括量子点电荷传输压电俘能板和固定装置，量子点电荷传输压电俘能板与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板包括基板、压电元件层和N型量子点电荷传输层，压电元件层和N型量子点电荷传输层依次铺设于基板上。2.根据权利要求1所述的超快电子传输压电俘能器，其特征在于，量子点电荷传输压电俘能板的一端与固定装置连接，量子点电荷传输压电俘能板的另一端悬置，形成悬臂梁式振动支撑结构。3.根据权利要求1所述的超快电子传输压电俘能器，其特征在于，N型量子点电荷传输层连接有外部储能装置。4.根据权利要求1所述的超快电子传输压电俘能器，其特征在于，压电元件层为压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜、压电聚合物和压电复合材料中的一种或任意几种的组合。5.根据权利要求4所述的超快电子传输压电俘能器，其特征在于，压电元件层为PZT压电薄膜。6.根据权利要求1所述的超快电子传输压电俘能器，其特征在于，N型量子点电荷传输层与压电元件层需要满足以下条件：且则N型量子点自电荷传输层与压电元件层之间形成超快电荷传输，其中N型量子点自电荷传输层与压电元件层接触造成材料间的能带结构偏移，产生电势差，VD是N型量子点自电荷传输层和压电元件层的接触电势差，VD1为在N型量子点自电荷传输层处的电势差，VD2为在压电元件层处的电势差，ND1为N型量子点自电荷传输层的载流子浓度，ND2为压电元...

【专利技术属性】
技术研发人员：周静，王志青，陈文，刘曰利，沈杰，陈巧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42