[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出一种基于动态PN结的高性能直流发电机，通过滑动具有不同费米能级的半导体，将机械能转化为电能。在MoS2/AlN/Si结构中，开路电压达到5.1 V，短路电流密度为112 A/m²（11.2 mA/cm²），实现了持续运行并直接为蓝色LED供电。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型发电机，无需强磁场，从根本上区别于电磁发电机。
• 通过实现高电流密度和稳定的直流输出，克服现有摩擦电和压电发电机的局限性。
• 建立一种基于动态PN结的新物理机制，打破漂移电流与扩散电流之间的平衡。
• 证明该发电机在机械滑动下可实现长期稳定运行且性能衰减极小。
• 实现对LED等电子设备的直接供电，无需外部电源管理。

提出的方法

• 发电机通过滑动具有不同费米能级的两种半导体层（N-GaAs与P-Si）工作，形成动态PN结。
• 其物理机制依赖于内建电场，可抑制载流子的反向扩散，从而破坏漂移电流与扩散电流之间的平衡。
• 采用机械剥离的MoS2在硅基底上构建MoS2/AlN/Si异质结构，其中AlN作为隧穿势垒。
• 通过机械滑动调节结势垒，产生单向电流。
• 在开路与短路条件下测量电流-电压特性，以评估性能。
• 通过数小时连续运行并定期进行电学测量，评估长期稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态PN结能否在无外部磁场或压电材料的条件下产生稳定的直流电流？
• RQ2 在费米能级不同的滑动半导体界面中，何种物理机制可实现单向电流生成？
• RQ3 动态PN结中的内建电场如何抑制载流子的反向扩散并维持净电流流动？
• RQ4 在使用MoS2等二维材料的动态PN发电机中，可实现的电压与电流密度水平如何？
• RQ5 在反复机械驱动下，该发电机能否实现长期运行且性能衰减极小？

主要发现

• 动态N-GaAs/SiO2/P-Si发电机实现了3.1 V的开路电压和1.0 A/m²的短路电流密度。
• MoS2/AlN/Si发电机展现出显著更高的性能，开路电压达5.1 V，短路电流密度为112 A/m²（11.2 mA/cm²）。
• 该器件成功直接驱动了蓝色发光二极管，证实其可输出可用的直流电。
• 发电机在超过一小时内保持稳定输出，未观察到明显性能衰减，表明其具有优异的长期运行能力。
• 该物理机制归因于内建电场对载流子的约束作用，以及其对漂移与扩散电流平衡的破坏。
• 结果表明，动态PN结可作为传统电磁与压电发电机在低功耗能量收集应用中的可行替代方案。