[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种基于动态水-半导体结的直流发电机，其中极化的水作为两个半导体之间的移动电介质。该装置通过硅表面的机械力和费米能级差异驱动的水分子持续极化与去极化，产生稳定的0.3 V电压和0.64 µA电流，展示了其在可穿戴电子设备中的应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用水滴作为可再生能源的可持续直流发电机。
• 研究水分子极化在生成连续直流输出中的作用。
• 展示一种简单、封装式、便携式发电装置，适用于可穿戴电子设备。
• 阐明水-半导体界面处水分子的量子极化机制。

提出的方法

• 通过水在两个半导体电极之间流动形成动态水-半导体结。
• 极化的水分子作为移动电介质，持续在机械力和费米能级梯度作用下重新排列。
• 该装置利用水流的机械能与半导体界面处的电子转移之间的相互作用。
• 系统保持低内阻（390 kΩ），以实现高效的电流输出。
• 结构采用封装设计，以确保便携性和环境稳定性。
• 该机制依赖于水分子在运动过程中持续的极化与去极化，从而产生持续的直流电压。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用半导体结从流动的水滴中实现可持续的直流输出？
• RQ2 水分子极化在水-半导体界面处生成连续直流电中起到何种作用？
• RQ3 半导体之间的费米能级差如何影响由极化驱动的电荷分离？
• RQ4 是否可以开发一种简单、封装式装置，实现适用于可穿戴电子设备的稳定直流输出？
• RQ5 此类动态结中水分子的潜在量子极化机制是什么？

主要发现

• 该装置产生稳定的0.3 V直流电压，电流输出为0.64 µA。
• 测得装置的内阻为390 kΩ，表明电荷传输效率较高。
• 由于水流过程中水分子持续极化与去极化，系统表现出长时间连续的直流输出。
• 该机制由水流的机械力和半导体界面处的费米能级差异共同驱动。
• 封装的原型机表现出稳定性能，证实其在便携式和可穿戴电子设备应用中的可行性。
• 本研究揭示了一种此前未报道的机制，即在半导体结处水的动态极化可实现可持续的直流发电。