基于“HV-PN结”的光热电转换装置功能区的制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供基于“HV

【技术实现步骤摘要】
基于“HV
‑
PN结”的光热电转换装置功能区的制备方法


[0001]本专利技术涉及光热电转换装置制备领域，尤其是基于“HV
‑
PN结”的光热电转换装置功能区的制备方法。

技术介绍

[0002]水与能量密切相关，维持着大至地球系统的能量循环，小至生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，以热能、动能的形式存储，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式转化成机械能等多种形式的能量，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，对外界激励有独特的敏感性，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力，在理论上具有比光伏技术更大的发展空间。但是，水伏效应的研究刚刚起步，迫切需要探索更具拓展性的水伏效应物理机制，发展高效水伏材料与装置以提高水伏转换效率。

技术实现思路

[0003]水伏效应发展的关键在于深入认识固液界面处电荷的“产生”、分离和传输规律，以及高效水伏材料的设计与制备。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，在金属品种中仅次于钢铁，为第二大类金属。不同于传统的体加热，铝颗粒利用等离激元效应吸收光照在颗粒表面产生局域高温，能促进水的电离。铝颗粒的等离激元效应会对水伏器件的光热电转换性能产生重要影响。零电荷点是指固体表面的ζ电势为零的点，如果固体表面带电状况与溶液的pH有关，则必定存在这样一个pH值，在此pH值下，固体表面的电荷为零。Al2O3零电荷点对应溶液pH约为9，pH＜9时Al2O3带正电，pH＞9时Al2O3带负电；SiO2零电荷点对应溶液pH为2.5，pH＜2.5时SiO2带正电，pH＞2.5时SiO2带负电。本项目将零电荷点对应溶液pH小于7的水伏材料定义为“P型”水伏材料，将零电荷点对应溶液pH大于7的水伏材料定义为“N型”水伏材料。铝是活泼金属，在干燥空气中其表面可形成透明且致密的Al2O3膜，不影响铝核吸收光照激发等离激元效应。Al2O3表面在水溶液中会形成羟基而带有丰富的正电荷，有水从Al2O3纳米颗粒孔隙通道中流过时，孔道表面将会带有电荷，在流动液体的带动下，阴离子将会在水流方向富集，形成离子浓度差，进而产生流动电压和流动电流。SiO2纳米颗粒俗称白炭黑，当溶液pH＞2.5时，其表面水合后再电离，颗粒表面生成阴离子带负电。当水从SiO2颗粒孔隙通道流过时，孔道表面将会带有丰富的负电荷，在流动液体的带动下，阳离子将会在水流方向富集，进而产生流动电压和流动电流。
[0004]水伏效应的本质是通过各种物理与化学机制将水中含有或者水本身电离出的正
负电荷有效分离开来，从而具备直接/间接对外输出电能的能力。基于电荷差异化分布的非对称理念可设计出多种形式的非平衡系统，光伏效应及光伏电池中的PN结具备极佳的启示作用。半导体材料一侧掺入受主杂质(提供空穴)，另一侧掺入施主杂质(提供电子)所形成的结构即为PN结。PN结会阻碍多子的扩散，但是会导致少子的漂移，太阳光照在PN结上形成新的空穴
‑
电子对，在内建电场E
内
的作用下，空穴流向P区，电子流向N区，导致空间电荷不再平衡，P区逐渐带正电，N区逐渐带负电，形成光生电场E
光
，其方向与内建电场E
内
相反，由于P区与N区存在电势差，接通外电路后就可形成电流。类似地，如果一种材料接触水后向溶液中电离出H
+
，原位留下不可移动的负电颗粒(“P区”)，另一种材料接触水后电离出OH
‑
，原位留下不可移动的正电颗粒(“N区”)，将两种材料分置两端，通过吸附水互相连通，溶液中可自由移动的H
+
与OH
‑
相互作用后的最终形态必然处于完全未复合与完全复合两个极限之间(两种极限状态明显不符合稳定性要求)。“P区”与“N区”接触处附近会形成空间电荷区(耗尽层)，构成“HV
‑
PN结”(hydrovoltaic PN junction)。以“牺牲”等量H
+
与OH
‑
的代价建立内建电场E
内
，“缓和”材料结构导致的自由移动电荷分布不对称带来的不稳定问题(中和掉等量自由移动电荷后固定电荷并不会消失)，同时带来另一种物理上的不对称，“凭空”多出一个内建电场E
内
。内建电场E
内
会阻碍“多子”的“扩散”，但是会导致“少子”的“漂移”，由于环境热及固定带电离子的促进作用，“HV
‑
PN结”区域水分子吸收热量进行电离形成新的自由移动的H
+
与OH
‑
对，在内建电场E
内
的作用下，H
+
流向“P区”，OH
‑
流向“N区”，导致空间电荷不再平衡，“P区”逐渐带正电，“N区”逐渐带负电，形成热生电场E
热
，其方向与内建电场E
内
相反，在环境热的激发下“修复”对称性。“HV
‑
PN结”像“离子泵”一样使“P区”与“N区”存在电势差，通过电极接通外电路后可输出电能，实现热能向电能的转变。“HV
‑
PN结”借鉴了传统PN结的结构形式，但二者的电荷“产生”与定向移动驱动机理存在巨大差异。“HV
‑
PN结”依据自身独特结构可实现电鳗发电细胞(生物体液环境)内外建立的电化学梯度，即准备放电的静息电位。采用电鳗的细胞集群模式有望实现较大电压输出，自然界中的雷电(雨云环境)便是适用类似基本原理的典范。若考虑湿气的快/慢速吸附与脱附，或可使外电路产生持续的交流电信号，让“HV
‑
PN结”具备更丰富有趣的现象与规律。综上，“P型”与“N型”水伏材料的综合运用可构筑“HV
‑
PN结”，其研究有望揭示电荷“产生”与定向移动的驱动新规律，开辟水伏效应新的应用形式。
[0005]“HV
‑
PN结”区域水分子电离形成自由移动的H
+
与OH
‑
的密度与速率对装置的输出性能或有巨大影响，核心铝的等离激元效应会促进水的热激发电离，纳米颗粒的表面电荷会引诱水分子电离，从而使“HV
‑
PN结”区域水分子电离率升高。另外，电解质溶液中导电离子的运动速度存在差异，H
+
与OH
‑
在E
内
与E
热
的作用下相较Na
+
、K
+
、Cl
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于“HV
‑
PN结”的光热电转换装置功能区的制备方法，包括如下步骤：(1)将二氧化硅纳米颗粒、乙基纤维素、松节油透醇、玻璃纤维混合均匀得到浆料；(2)将铝纳米颗粒置于干燥箱加热，得到氧化铝/铝核壳结构，将氧化铝/铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、氧化铝纤维混合均匀得到浆料；(3)将羧基化石墨烯分散于乙醇中，加入铝纳米颗粒，室温下搅拌，得到羧基化石墨烯包覆铝核壳结构，将羧基化石墨烯包覆铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、碳纤维混合均匀得到浆料；(4)将氨基化石墨烯分散于乙醇中，加入铝纳米颗粒，室温下搅拌，得到氨基化石墨烯包覆铝核壳结构，将氨基化石墨烯包覆铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、碳纤维混合均匀得到浆料；(5)将二氧化硅纳米颗粒、乙基纤维素、松节油透醇、玻璃纤维组成的均匀浆料置于第一陶瓷模具中，放入马弗炉中退火，自然冷却至室温，得到“P型”水伏材料区，取出后置于第二陶瓷模具中的一侧，将氧化铝/铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、氧化铝纤维组成的均匀浆料置于第二陶瓷模具中的另一侧，放入马弗炉中退火，自然冷却至室温，得到一种“HV
‑
PN结”，取出，在“HV
‑
PN结”两个顶端面添加电极；(6)将羧基化石墨烯包覆铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、碳纤维组成的均匀浆料置于第一陶瓷模具中，放入马弗炉中退火，自然冷却至室温，得到“P型”水伏材料区，取出后置于第二陶瓷模具中的一侧，将氨基化石墨烯包覆铝核壳结构、乙基纤维素、松节油透醇、碳纤维组成的均匀浆料置于第二陶瓷模具中的另一侧，放入马弗炉中退火，自然冷却至室温，得到一种“HV
‑
PN结”，取出，在“HV
‑
PN结”两个顶端面添加电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二氧化硅纳米颗粒与乙基纤维素的质量比为1∶10
‑
10∶1，二氧化硅纳米颗粒与松节油透醇的质量比为1∶10
‑
10∶1，二氧化硅纳米颗粒与玻璃纤维的质量比为1∶10
‑
10∶1，二氧化硅纳米颗粒尺寸为10nm
‑
50μm，乙基纤维素直径为10nm
‑
50μm，长度为10μm
‑
100mm，玻璃纤维直径为10nm
‑
50μm，长度为10μm
‑
100mm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的铝纳米颗粒尺寸为10nm
‑
50μm，加热时间为1
‑
360min，氧化铝/铝核壳结构与乙基纤维素的质量比为1∶10
‑
10∶1，氧化铝/铝核壳结构与松节油透醇的质量比为1∶10
‑
10∶1，氧化铝/铝核壳结构与氧化铝纤维的质量比为1∶10
‑
10∶1，乙基纤维素直径为10nm
‑
50μm，长度为10μm
‑
100mm，氧化铝纤维直径为10nm
‑
50μm，长度为10μm
‑
100mm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的铝纳米颗粒尺寸为10nm
‑
50μm，羧基化石墨烯与铝纳米颗粒质量比为1∶10
‑
10∶1，羧基化石墨烯包覆铝核壳结构与乙基纤维素的质量比为1∶10
‑
10∶1，羧基化石墨烯包覆铝核壳结构与松节油透醇的质量比为1∶10
‑
10∶1，羧基化石墨烯包覆铝核壳结构与碳纤维的质量比为1∶10
‑
10...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗中正，
申请(专利权)人：盐城师范学院，
类型：发明
国别省市：