用于将热能转换成电能的方法和装置制造方法及图纸

一种改良的热电转换方法和装置，包括并列放置的较热表面和较冷表面，所述较热表面和较冷表面由小的真空间隙隔开，其中所述冷表面沿着该表面提供单一载流子转换器单元的阵列，而通过库伦静电耦合交互，所述热表面使激发能量跨过所述间隙转移到相对的冷表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及将热能转换成电能，更具体而言，本专利技术涉及采用间隙隔开的 并列放置的热端辐射体和冷端带电载流子转换器结构所实现的这种转换。
技术介绍
受使用热-光电方法来实现这种转换的最初方案(美国专利No. 6，084，173，2000 年7月4日授予Robert DiMatteo)的激励，我们对在这种间隙中的能够产生进一步增加的 吞吐量功率的相干激发转移的可能性进行了探索。这使我们得出了开发单一电荷载流子转 换器的理论方案，在该方案中，激发可以转移到离间隙非常近的地方，如在标题为“Thermal to ElectricConversion based on a Quantum-Coup ling Scheme)白勺麻省理工学院电子学 研究室的内部报告(2005年9月RLE 147)中所述。由于这与本专利技术有关，因此下文将结合 图1来描述它的基本方案。尽管这提出了可能操作的理想化概要，但是，直到最近出现的意外的突破才打通 了通往在实际上可实现的设备的道路。该突破的结果是获得了通过较热端表面与以小间隙 隔开的并列放置的冷端转换器表面之间的静电耦合进行的相干激发转移的新颖组合，其中 后者具有新颖的单一载流子冷端转换器结构。DiMatteo的方案建议间隙应该是真空间隙， 但重要的是它的间隙不应该包括固体或液体。它可以是气体，甚至更为优选地，它可以是平 均自由程大于间隙间距的稀气体。现在，通过利用现已公知的固态芯片制造技术进行加工来实现实用设备是可行 的，这预示着具有高电源电势特性的热电转换器阵列。专利技术目的因此，本专利技术的一个主要目的是提供一种新颖、改良的热电能量转换方法以及采 用该方法的新颖装置或设备结构，其包括改良的热表面以及由小的间隙隔开的并列放置的 较冷转换器表面。另一目的是提供一种这样的装置，其采用了通过在较热表面与较冷表面之间的静 电耦合而进行的新颖激发转移以及一种单一载流子冷端转换器的芯片状结构。又一目的是提供这种结构的新颖芯片阵列。将在下文说明其它目的以及进一步的目的，并结合所附权利要求更为具体地指出 其它目的以及进一步的目的。
技术实现思路
概括而言，根据本专利技术的观点之一，本专利技术包括一种将热能转换成电能的方法，该 方法包括并列放置由小的间隙隔开的较冷端转换表面和较热端表面；在所述冷表面上或 其附近提供较低能态电子；将所述较低能态电子库仑耦合到所述热表面上的电荷；将能量 从所述热端表面转移到所述冷端表面的较低能态电子，从而将所述较低能态电子激发到较 高能态；在所述冷表面处或其附近收集所述较高能态电子，以生成较高电势；以及响应于所述较高电势而提取所转换的电能。在本专利技术的结构或设备方面中，本专利技术的热电转换装置包括由小的气体间隙或真 空间隙隔开的并列放置的较热表面和较冷表面，所述冷表面提供单一电荷载流子转换器单 元的芯片阵列，通过库伦静电耦合交互，所述热表面以静电方式使激发能量跨过所述间隙 转移到相对的冷表面转换器单元。下面对优选的设计和实施例(包括最佳模式设计)进行更全面的介绍。 附图说明现在将结合附图对本专利技术进行说明，该附图中的前述图1是构成本专利技术基础的理 想化构思的基本示意图；图2是用于实施本专利技术方法的优选设备的放大的等比例示意图，该优选设备包括 作为实现方式的固态转换阵列；图3是图2所示类型的新颖热电转换器单元的这种阵列的类似图；以及图4和图5分别是采用本专利技术实施例可获得的负载功率密度和效率的性能图。具体实施例方式首先阅读我们所述的图1的工作路线图(roadmap)，这涉及一种理想化的理论解 释性方案，该方案包括由小的真空间隙g隔开的热端表面SH和并列放置的冷端载流子电 荷-电转换器表面sco在冷端上，图中示意地示出了第一量子阱wei，该第一量子阱wei具有 较低的电子电势能级1和较高能级2，其中从处于相对地电势的称为贮存器ri的电子源引 入或供应电子，使其进入低能级或低能态1。如后面所介绍的，在实际实现方式中，阱Wei可 以固有地位于量子点中，例如适当的半导体点，电子贮存器巧可以是导电网络的导体，该导 电网络将沿着冷端Se分布的点的阵列或矩阵中的这样的点互连起来，将在后面结合图2和 图3的实施例进行更充分的说明。静电耦合到热端表面的电荷产生了量子相关性。这在图1中示意性地表示为 连接到电子贮存器rh的具有两个能级的阱WH。由于电子从冷端贮存器。供应到的冷 端能级1，相应地，该电子与热端上的电荷之间的库伦静电耦合产生了冷端电子与该载流子 之间的量子相关性，从而提供了静电交互U，静电交互U引起激发能量从热端转移到冷端， 从而将冷端阱Wei中的电子升高到较高的电势能级或能态2，如符号U下面示出的向上箭头 部分所示。从该较高能态2，如用V示意性所示，电子可以在去往第二贮存器r2的途中以隧 穿方式穿过势垒PB，到达第二量子点阱We2中的匹配能级21，该第二贮存器r2处于相对大 地升高的电压处，如图中符号+示意所示。阱We2只允许一个能级——能级21。两个冷端贮 存器巧和巧通过电气负载(标记为“负载”)连接在一起。因而，当电子在第一量子阱 中被提升时，它们可能隧穿至第二阱We2，然后在终止于接地的第一贮存器ri之前继续做电 功。热端的能级弛豫至电子贮存器rh，其包括连续的激发能级，其中能级a耦合到具有 矩阵单元叫和m3的贮存器中的每个能级。热端阱WH上的电子与冷端上的电子之间的电场将产物能态(productstate) b > 1>和|a> | 2 >与耦合U进行耦合，从而可以越过间隙g发生激发转移。阱^的能级1然后弛豫至具有矩阵单元mi的贮存器iv阱We2的能级2’弛豫至具有矩阵单元m4的贮存^^ 1*2 o该设备的基本机理在于热端的高温产生热端图像中的激发电子，该激发通过静 电交互耦合U (热端电荷与冷端电子之间，热端电荷本身耦合到激发的电子和声子模式)来 转移，从而将冷端电子从阱Wei中的能级1提升到能级2。因此，总括地说，冷端上的电子贮存器供应较低能态的电子；与热端的耦合使得电 子被提升到激发能态，然后电子进入处于升高电势的第二电子贮存器。连接在两个贮存器 之间的电气负载可以由所提升的电子产生的电流来驱动。这种方案可以适用于电子或空 穴(或者原则上两者)。我们将其称为“单一载流子转换器”，原因在于与在前面所述的 DiMatteo专利中创建了电子_空穴对的光伏技术相比，根据本专利技术，每次仅提升单一载流 子。物理实现方式图2给出了根据本专利技术构造的热电转换器的优选物理结构的分解图，该热电转换 器根据如图1中所述的本专利技术的方法来操作。如前所述，设备的冷端表面Se被显示为与热 端热发射器表面311并列放置，二者之间具有小的真空间隙g。冷端转换器包括由适当的半 导体小单元或点形成的阵列，其中将两个点显示为“点1”和“点2”，该阵列由公知的芯片技 术来实现并且位于由S示意性表示的芯片基板矩阵中。在实践中，这些半导体转换器点可 以采用任何期望的几何形状，例如示出的矩形盒子或条状元，其沿着表面Se (在表面Se或在 sc附近)支持并用作量子限制的电子能量激发能态阱(图1中的wa和\2)。其它形式的 这些半导体单元可以包括小的柱体或线、小的量子阱片(Sheet)，或者甚至分子。如前所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电转换装置，所述热电转换装置包括由小的真空间隙或气体间隙隔开的并列放置的较热表面和较冷表面，所述冷表面提供单一电荷载流子转换器单元的芯片阵列，而通过库伦静电耦合交互，所述热表面以静电方式使激发能量跨过所述间隙转移到相对的冷表面转换器单元。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P哈格尔施泰因，D吴，
申请(专利权)人：MTPV公司，
类型：发明
国别省市：US