[論文レビュー] Direct-Current Generator Based on Dynamic Water-Semiconductor Junction with Polarized Water as Moving Dielectric Medium

Yanghua Lu, Yanfei Yan+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、動的水-半導体接合に基づく直接電流発電機が提案されている。極性を帯びた水が二つの半導体の間で移動する誘電体媒体として機能し、機械的力およびシリコンにおけるフェルミ準位の差異によって駆動される水分子の極性化と脱極性化が継続的に行われることで、持続的な0.3 Vの電圧と0.64 µAの電流が発生する。これは、ウェアラブルエレクトロニクスへの応用の可能性を示している。

ABSTRACT

There is a rising prospective in harvesting energy from water droplets, as microscale energy is required for the distributed sensors in the interconnected human society. However, achieving a sustainable direct-current generating device from water flow is rarely reported, and the quantum polarization principle of the water molecular remains uncovered. Herein, we propose a dynamic water-semiconductor junction with moving water sandwiched between two semiconductors as a moving dielectric medium, which outputs a sustainable direct-current voltage of 0.3 V and current of 0.64 uA with low internal resistance of 390 kilohm. The sustainable direct-current electricity is originating from the dynamic water polarization process in water-semiconductor junction, in which water molecules are continuously polarized and depolarized driven by the mechanical force and Fermi level difference, during the movement of the water on silicon. We further demonstrated an encapsulated portable power-generating device with simple structure and continuous direct-current voltage, which exhibits its promising potential application in the field of wearable electronic generators.

研究の動機と目的

• 水滴を再生可能エネルギー源として用いた持続可能な直流エネルギー発電機の開発を目的とする。
• 水分子の極性化が連続的直流出力を生成する役割を調査することを目的とする。
• ウェアラブルエレクトロニクス向けに簡素で封止された、携帯可能な発電デバイスを実証することを目的とする。
• 水-半導体界面における水分子の量子的極性化メカニズムを明確にすることを目的とする。

提案手法

• 水が二つの半導体電極の間を流れることで、動的水-半導体接合が形成される。
• 極性を帯びた水分子が、機械的力およびフェルミ準位勾配の下で、連続的に再配列される移動誘電体媒体として機能する。
• 水の流れによる機械的エネルギーと半導体界面における電子移動の相乗効果を活用する。
• 効率的な電流出力を可能にするために、内部抵抗を低く（390 kΩ）に維持する。
• 携帯性および環境的安定性を確保するため、構造を封止する。
• 運動に伴う水分子の連続的極性化と脱極性化に依存するメカニズムにより、持続的な直流電圧が生成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流れる水滴を用いた半導体接合により、どのように持続的な直流出力を達成できるか？
• RQ2 水-半導体界面における水分子の極性化が、連続的直流電気を生成する役割を果たす仕組みは何か？
• RQ3 半導体間のフェルミ準位差が、極性化駆動による電荷分離にどのように影響するか？
• RQ4 簡素で封止されたデバイスは、ウェアラブルエレクトロニクスに適した安定した直流出力を発生させることができるか？
• RQ5 このような動的接合における水分子の基礎的量子的極性化メカニズムは何か？

主な発見

• デバイスは安定した直流電圧0.3 Vを発生し、電流出力は0.64 µAであった。
• デバイスの内部抵抗は390 kΩで測定され、効率的な電荷輸送を示している。
• 水分子の極性化と脱極性化が流れの間持続的に行われることで、時間経過にわたって連続的な直流出力が実現された。
• 水の移動による機械的力と半導体界面におけるフェルミ準位差が、このメカニズムを駆動している。
• 封止されたプロトタイプは安定した性能を示し、ポータブルおよびウェアラブルエレクトロニクス用途への実現可能性を確認した。
• 本研究では、半導体接合における動的水の極性化に起因する、以前報告のないメカニズムが同定され、持続的な直流発電を可能にした。