[論文レビュー] High Performance Direct-Current Generator Based on Dynamic PN Junctions

Yanghua Lu, Sirui Feng+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2019

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 4被引用数 25

ひとこと要約

本論文では、異なるフェルミ準位を有する2つの半導体を滑らかにすることで機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する、動的PN接合に基づく高性能直流発電機を提案する。MoS2/AlN/Si構造において、開放電圧5.1 V、短絡電流密度112 A/m²（11.2 mA/cm²）を達成し、持続的な動作と青色LEDへの直接電力供給を実証した。

ABSTRACT

After the electromagnetic generator, searching for novel electric generators without strong magnetic field is highly demanded. The generator without strong magnetic field calls for a physical picture distinct from the traditional generators. As the counterpart of the static PN junction has been widely used in the integrated circuits, we develop an electric generator named dynamic PN generator with a high current density and voltage output, which converts mechanical energy into electricity by sliding two semiconductors with different Fermi level. A dynamic N-GaAs/SiO2/P-Si generator with the open-circuit voltage of 3.1 V and short-circuit density of 1.0 A/m2 have been achieved. The physical mechanism of the dynamic PN generator is proposed based on the built-in electric field bounding back diffusing carriers in dynamic PN junctions, which breaks the equilibrium between drift and diffusion current in the PN junction. Moreover, the dynamic MoS2/AlN/Si generator with the open-circuit voltage of 5.1 V and short-circuit density of 112 A/m2 (11.2 mA/cm2) have also been achieved, which can effectively output a direct-current and light up a blue light-emitting diode directly. This dynamic MoS2/AlN/Si generator can continuously work for hours without obvious degradation, demonstrating its unique mechanism and potential applications in many fields where the mechanical energy is available.

研究の動機と目的

• 強力な磁場を必要としない、従来の電磁誘導発電機とは根本的に異なる新規な電気発電機の開発。
• 従来の三体効果および圧電効果発電機の限界を克服し、高電流密度と安定したDC出力を実現すること。
• ドリフト電流と拡散電流の平衡を破る、動的PN接合に基づく新しい物理的メカニズムの確立。
• 繰り返しの機械的スライド条件下でも劣化を最小限に抑え、実用的かつ長期にわたる発電機の動作を実証すること。
• 外部の電力管理回路を経由せずに、LEDなどの電子機器への直接電力供給を可能とすること。

提案手法

• 発電機は、異なるフェルミ準位を有する2つの半導体層（N-GaAsとP-Si）を滑らかにすることで、動的PN接合を形成する。
• 物理的メカニズムは、キャリアの逆拡散を抑制する内部電場に依存し、ドリフト電流と拡散電流の平衡を破る。
• エキスフォリエーション法で得たMoS2をSi基板上に形成し、AlNをトンネル障壁として用いる、動的MoS2/AlN/Siヘテロ構造をプロセスで作製した。
• 接合ポテンシャルを機械的スライドによって変調し、一方向の電流を生成する。
• 性能評価のために、開放回路および短絡回路条件での電流-電圧特性を測定した。
• 長期間安定性は、数時間にわたる連続動作と、定期的な電気的測定を用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場や圧電材料を用いずに、動的PN接合が安定した直流電流を生成できるか？
• RQ2 フェルミ準位が異なる滑らかに移動する半導体界面で、一方向電流生成を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ3 動的PN接合における内部電場がキャリアの逆拡散をどのように抑制し、ネット電流の流れを維持するか？
• RQ4 MoS2などの2次元材料を用いた動的PN発電機で、達成可能な電圧および電流密度の上限は何か？
• RQ5 繰り返しの機械的駆動条件下でも劣化を最小限に抑え、長期にわたって安定した動作を維持できるか？

主な発見

• N-GaAs/SiO2/P-Siの動的発電機は、開放電圧3.1 V、短絡電流密度1.0 A/m²を達成した。
• MoS2/AlN/Si発電機は、はるかに優れた性能を示し、開放電圧5.1 V、短絡電流密度112 A/m²（11.2 mA/cm²）を達成した。
• 装置は青色発光ダイオードを直接駆動でき、有効なDC出力の供給が可能であることを確認した。
• 1時間以上にわたって顕著な劣化を示さずに安定した出力を維持したため、耐久性のある長期動作が可能であると示された。
• 物理的メカニズムは、キャリアを閉じ込め、ドリフト電流と拡散電流の平衡を破る内部電場に起因すると考えられる。
• 結果から、動的PN接合は、低出力エネルギー回収用途において、従来の電磁誘導および圧電効果発電機の代替として実用的であることが確認された。