專利名稱：用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及將熱能轉(zhuǎn)換成電能，更具體而言，本發(fā)明涉及采用間隙隔開的 并列放置的熱端輻射體和冷端帶電載流子轉(zhuǎn)換器結(jié)構所實現(xiàn)的這種轉(zhuǎn)換。
背景技術：
受使用熱-光電方法來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的最初方案(美國專利No. 6，084，173，2000 年7月4日授予Robert DiMatteo)的激勵，我們對在這種間隙中的能夠產(chǎn)生進一步增加的 吞吐量功率的相干激發(fā)轉(zhuǎn)移的可能性進行了探索。這使我們得出了開發(fā)單一電荷載流子轉(zhuǎn) 換器的理論方案，在該方案中，激發(fā)可以轉(zhuǎn)移到離間隙非常近的地方，如在標題為“Thermal to ElectricConversion based on a Quantum-Coup ling Scheme)白勺麻省理工學院電子學 研究室的內(nèi)部報告(2005年9月RLE 147)中所述。由于這與本發(fā)明有關，因此下文將結(jié)合 圖1來描述它的基本方案。盡管這提出了可能操作的理想化概要，但是，直到最近出現(xiàn)的意外的突破才打通 了通往在實際上可實現(xiàn)的設備的道路。該突破的結(jié)果是獲得了通過較熱端表面與以小間隙 隔開的并列放置的冷端轉(zhuǎn)換器表面之間的靜電耦合進行的相干激發(fā)轉(zhuǎn)移的新穎組合，其中 后者具有新穎的單一載流子冷端轉(zhuǎn)換器結(jié)構。DiMatteo的方案建議間隙應該是真空間隙， 但重要的是它的間隙不應該包括固體或液體。它可以是氣體，甚至更為優(yōu)選地，它可以是平 均自由程大于間隙間距的稀氣體?，F(xiàn)在，通過利用現(xiàn)已公知的固態(tài)芯片制造技術進行加工來實現(xiàn)實用設備是可行 的，這預示著具有高電源電勢特性的熱電轉(zhuǎn)換器陣列。發(fā)明目的因此，本發(fā)明的一個主要目的是提供一種新穎、改良的熱電能量轉(zhuǎn)換方法以及采 用該方法的新穎裝置或設備結(jié)構，其包括改良的熱表面以及由小的間隙隔開的并列放置的 較冷轉(zhuǎn)換器表面。另一目的是提供一種這樣的裝置，其采用了通過在較熱表面與較冷表面之間的靜 電耦合而進行的新穎激發(fā)轉(zhuǎn)移以及一種單一載流子冷端轉(zhuǎn)換器的芯片狀結(jié)構。又一目的是提供這種結(jié)構的新穎芯片陣列。將在下文說明其它目的以及進一步的目的，并結(jié)合所附權利要求更為具體地指出 其它目的以及進一步的目的。

發(fā)明內(nèi)容
概括而言，根據(jù)本發(fā)明的觀點之一，本發(fā)明包括一種將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方法，該 方法包括并列放置由小的間隙隔開的較冷端轉(zhuǎn)換表面和較熱端表面；在所述冷表面上或 其附近提供較低能態(tài)電子；將所述較低能態(tài)電子庫侖耦合到所述熱表面上的電荷；將能量 從所述熱端表面轉(zhuǎn)移到所述冷端表面的較低能態(tài)電子，從而將所述較低能態(tài)電子激發(fā)到較 高能態(tài)；在所述冷表面處或其附近收集所述較高能態(tài)電子，以生成較高電勢；以及響應于所述較高電勢而提取所轉(zhuǎn)換的電能。在本發(fā)明的結(jié)構或設備方面中，本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換裝置包括由小的氣體間隙或真 空間隙隔開的并列放置的較熱表面和較冷表面，所述冷表面提供單一電荷載流子轉(zhuǎn)換器單 元的芯片陣列，通過庫倫靜電耦合交互，所述熱表面以靜電方式使激發(fā)能量跨過所述間隙 轉(zhuǎn)移到相對的冷表面轉(zhuǎn)換器單元。下面對優(yōu)選的設計和實施例(包括最佳模式設計)進行更全面的介紹。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明，該附圖中的前述圖1是構成本發(fā)明基礎的理 想化構思的基本示意圖；圖2是用于實施本發(fā)明方法的優(yōu)選設備的放大的等比例示意圖，該優(yōu)選設備包括 作為實現(xiàn)方式的固態(tài)轉(zhuǎn)換陣列；圖3是圖2所示類型的新穎熱電轉(zhuǎn)換器單元的這種陣列的類似圖；以及圖4和圖5分別是采用本發(fā)明實施例可獲得的負載功率密度和效率的性能圖。
具體實施例方式首先閱讀我們所述的圖1的工作路線圖(roadmap)，這涉及一種理想化的理論解 釋性方案，該方案包括由小的真空間隙g隔開的熱端表面SH和并列放置的冷端載流子電 荷-電轉(zhuǎn)換器表面sco在冷端上，圖中示意地示出了第一量子阱wei，該第一量子阱wei具有 較低的電子電勢能級1和較高能級2，其中從處于相對地電勢的稱為貯存器ri的電子源引 入或供應電子，使其進入低能級或低能態(tài)1。如后面所介紹的，在實際實現(xiàn)方式中，阱Wei可 以固有地位于量子點中，例如適當?shù)陌雽w點，電子貯存器巧可以是導電網(wǎng)絡的導體，該導 電網(wǎng)絡將沿著冷端Se分布的點的陣列或矩陣中的這樣的點互連起來，將在后面結(jié)合圖2和 圖3的實施例進行更充分的說明。靜電耦合到熱端表面的電荷產(chǎn)生了量子相關性。這在圖1中示意性地表示為 連接到電子貯存器rh的具有兩個能級的阱WH。由于電子從冷端貯存器。供應到的冷 端能級1，相應地，該電子與熱端上的電荷之間的庫倫靜電耦合產(chǎn)生了冷端電子與該載流子 之間的量子相關性，從而提供了靜電交互U，靜電交互U引起激發(fā)能量從熱端轉(zhuǎn)移到冷端， 從而將冷端阱Wei中的電子升高到較高的電勢能級或能態(tài)2，如符號U下面示出的向上箭頭 部分所示。從該較高能態(tài)2，如用V示意性所示，電子可以在去往第二貯存器r2的途中以隧 穿方式穿過勢壘PB，到達第二量子點阱We2中的匹配能級21，該第二貯存器r2處于相對大 地升高的電壓處，如圖中符號+示意所示。阱We2只允許一個能級——能級21。兩個冷端貯 存器巧和巧通過電氣負載(標記為“負載”)連接在一起。因而，當電子在第一量子阱 中被提升時，它們可能隧穿至第二阱We2，然后在終止于接地的第一貯存器ri之前繼續(xù)做電 功。熱端的能級弛豫至電子貯存器rh，其包括連續(xù)的激發(fā)能級，其中能級a耦合到具有 矩陣單元叫和m3的貯存器中的每個能級。熱端阱WH上的電子與冷端上的電子之間的電場將產(chǎn)物能態(tài)(productstate) b > 1>和|a> | 2 >與耦合U進行耦合，從而可以越過間隙g發(fā)生激發(fā)轉(zhuǎn)移。阱^的能級1然后弛豫至具有矩陣單元mi的貯存器iv阱We2的能級2’弛豫至具有矩陣單元m4的貯存
^^ 1*2 o該設備的基本機理在于熱端的高溫產(chǎn)生熱端圖像中的激發(fā)電子，該激發(fā)通過靜 電交互耦合U (熱端電荷與冷端電子之間，熱端電荷本身耦合到激發(fā)的電子和聲子模式)來 轉(zhuǎn)移，從而將冷端電子從阱Wei中的能級1提升到能級2。因此，總括地說，冷端上的電子貯存器供應較低能態(tài)的電子；與熱端的耦合使得電 子被提升到激發(fā)能態(tài)，然后電子進入處于升高電勢的第二電子貯存器。連接在兩個貯存器 之間的電氣負載可以由所提升的電子產(chǎn)生的電流來驅(qū)動。這種方案可以適用于電子或空 穴(或者原則上兩者)。我們將其稱為“單一載流子轉(zhuǎn)換器”，原因在于與在前面所述的 DiMatteo專利中創(chuàng)建了電子_空穴對的光伏技術相比，根據(jù)本發(fā)明，每次僅提升單一載流 子。物理實現(xiàn)方式圖2給出了根據(jù)本發(fā)明構造的熱電轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選物理結(jié)構的分解圖，該熱電轉(zhuǎn)換 器根據(jù)如圖1中所述的本發(fā)明的方法來操作。如前所述，設備的冷端表面Se被顯示為與熱 端熱發(fā)射器表面311并列放置，二者之間具有小的真空間隙g。冷端轉(zhuǎn)換器包括由適當?shù)陌?導體小單元或點形成的陣列，其中將兩個點顯示為“點1”和“點2”，該陣列由公知的芯片技 術來實現(xiàn)并且位于由S示意性表示的芯片基板矩陣中。在實踐中，這些半導體轉(zhuǎn)換器點可 以采用任何期望的幾何形狀，例如示出的矩形盒子或條狀元，其沿著表面Se (在表面Se或在 sc附近)支持并用作量子限制的電子能量激發(fā)能態(tài)阱(圖1中的wa和\2)。其它形式的 這些半導體單元可以包括小的柱體或線、小的量子阱片(Sheet)，或者甚至分子。如前所述， 點單元等的陣列可以由導體網(wǎng)絡進行導體互連，所述導體網(wǎng)絡將電子饋送和輸出到以適當 的串聯(lián)和/或并聯(lián)方式互連點單元陣列的相應單元(圖1中的貯存器巧、r2等)以及從以 適當?shù)拇?lián)和/或并聯(lián)方式互連點單元陣列的相應單元接收電子，該點單元陣列還形成了 該設備的轉(zhuǎn)換器芯片端的基板矩陣S。而且，在圖2的設備中，這些電子“貯存器”導體的段 在“貯存器1”(圖1中的巧)和“貯存器2”(圖1中的r2)處以矩形截面的總線部分示出。根據(jù)本發(fā)明的突破性實現(xiàn)方式，在適當尺度的結(jié)構中，冷端表面&上的量子點中 的電荷將耦合到附近的導電熱端表面的電荷，從而提供到表面電流的耦合，得到這里 給出的本發(fā)明的兩級系統(tǒng)模型。在圖2的設備中，熱端表面311可以相應地是例如金屬、半金屬或高摻雜半導體的 簡單平面。金屬表面具有表面電荷，這些電荷作為能量間距為零的有效偶極子，其耦合到熱 激發(fā)的電子和聲子?？邕^間隙g，冷端被顯示為包括前面提到的位于表面Se上的兩個量子 點；點1具有兩個能級(圖1的阱Wei)，它們通過前面所述的靜電庫侖耦合交互而耦合到熱 端偶極子。點2具有一個能級(在圖1的阱We2中)，并且它通過隧穿(V)耦合到點1的激 發(fā)的較高能級(圖1的阱Wei中的能態(tài)2)。如前所述，點1的較低能級(阱Wei中的能級1) 弛豫至地電壓導體貯存器1 (圖1中的。點2的能級弛豫到處于升高的電壓+的導體貯 存器2。貯存器導體1被顯示為具有水平分支的總線部分，其從總線導體的垂直支柱處延 伸，以便耦合點1的較低能級，該分支水平地指向點1且面對點1的中心，并與其保持一定 距離。貯存器導體2被顯示為與點1平行，并且該貯存器導體2沿著緊鄰點2的表面Sc平 行地延伸，并與其保持一定距離。如果需要，這些點和導體單元還可以被取向為其它角度，包括與表面Se的平面基本垂直。如圖3所示，重復冷端的結(jié)構，使其成為表面Se上的陣列，其中貯存器1的導體總 線鏈接在一起，并且貯存器2的導體總線鏈接在一起，在貯存器1和2內(nèi)，通過如圖1所示 的負載連接起來。在該實現(xiàn)方式的模擬特定結(jié)構設計中，我們得到了下面的示例性結(jié)果。熱端的溫 度是1300K，冷端的溫度是300K。點1的x*y*z尺寸是120 A *100 A *100入，點1具有優(yōu)選 材料InSb。點1能級的能量間距為0. 2eV。InSb在0. 2eV下的弛豫時間為lps。在該裝置 中，熱端是金屬銅，其在0. 2eV下的弛豫時間為0. 57ps。點2的尺寸為50 A *100人*100 A ，并水平地指向點1的頂部。(圖2未按比例繪制)。點2具有材料Gaa31In(1.69Sb。點1與 點2之間的距離是100入。貯存器1的分支被水平地放置為與點1的中心相距50入。貯存 器2位于鄰近點2的50 A處。兩個貯存器都優(yōu)選由n類型的InSb構成，對其進行的摻雜使 得其在0. 2eV下的弛豫時間為10ps。對于摻雜度為3X 1017cm_3的n類型InSb在0. 2eV下 的弛豫時間是52ps，并且預計隨著摻雜度增加，弛豫時間將降低到零，這是因為這是DC下 的特性。因此，對于任何期望的弛豫時間，存在對應的摻雜度。冷端的周圍的矩陣材料基板 優(yōu)選是GaSb。如前所述，表面電荷與冷端偶極子之間的靜電交互與電準靜態(tài)方式下的真空間隙 的厚度無關。但是，對于厚度大于與冷端能級1和2的能量間距除以2 ji相對應的波長的 情況而言，橫向光子的影響可能會損害設備的性能。對應于0. 2eV的吸收波長是6. 2i!m，因 此間隙在此情形下應當?shù)陀诩s1 P m。作為設備電壓的函數(shù)，圖4和圖5分別示出了負載的功率密度和效率。每單位活 動區(qū)域最大功率的初始估計值是202W/cm2，其出現(xiàn)在電壓107mV處。圖5示出的最大效率 49. 8%出現(xiàn)在電壓129mV處。本領域技術人員可以想到進一步的修改，這些修改應當被認為落入了由所附權利 要求限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權利要求
一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，所述熱電轉(zhuǎn)換裝置包括由小的真空間隙或氣體間隙隔開的并列放置的較熱表面和較冷表面，所述冷表面提供單一電荷載流子轉(zhuǎn)換器單元的芯片陣列，而通過庫倫靜電耦合交互，所述熱表面以靜電方式使激發(fā)能量跨過所述間隙轉(zhuǎn)移到相對的冷表面轉(zhuǎn)換器單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中將來自第一電子貯存器的電子引入到所述冷 表面上的每一個轉(zhuǎn)換器單元的較低能級激發(fā)態(tài)，然后跨過所述間隙將所述電子庫倫耦合至 所述熱表面上的載流子電荷，在所述電子與所述載流子電荷之間產(chǎn)生量子相關性，所述量 子相關性引起從所述熱表面到所述冷表面的激發(fā)轉(zhuǎn)移，所述激發(fā)轉(zhuǎn)移將所述電子提升到較 高能級激發(fā)態(tài)。
3.根據(jù)權利要求2所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述激發(fā)的較高能級態(tài)電子隨即隧穿至第二 冷表面電子貯存器，相對于所述第一貯存器，所述第二冷表面電子貯存器保持在升高的電 勢，并且將電氣負載連接在所述第一貯存器和所述第二貯存器之間，所述電氣負載由所提 升的電子引起的電流來驅(qū)動。
4.根據(jù)權利要求3所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中每次僅提升單一類型的載流子電荷。
5.根據(jù)權利要求4所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述單一載流子電荷是電子或空穴之一。
6.根據(jù)權利要求3所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述轉(zhuǎn)換器單元包括半導體單元的陣列，沿 所述冷表面，將所述半導體單元的陣列芯片集成在矩陣基板中，并且所述半導體單元的陣 列由所述芯片基板內(nèi)的電子貯存器導體或總線的網(wǎng)絡來互連，從而在所述陣列的單元的多 者之間以及二者之間提供適當?shù)拇?lián)和/或并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述陣列中的相應的所述第一和所述第二電 子貯存器導體或總線組共同連接到所述負載的相對的兩端。
8.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述半導體單元具有InSb材料和/或 Ga0.3iIn0.69Sb #14。
9.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱表面的所述材料選自于由下述材料構 成的組平金屬、金屬銅、半金屬以及高摻雜的半導體材料。
10.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述電子貯存器導體或總線具有η型摻雜的 InSb0
11.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述冷端上的所述芯片矩陣基板為GaSb。
12.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述熱表面大約為1300K，所述較冷表面大 約為300K。
13.根據(jù)權利要求6所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述載流子轉(zhuǎn)換器單元采用由各種幾何形 狀的一個或多個半導體點或條、半導體短柱體或線、以及提供集成在所述芯片基板中的量 子阱的小片構成的陣列形式。
14.根據(jù)權利要求13所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述半導體單元和所互連的導體或總線集 成在所述基板中，其中一些被取向為平行于所述冷表面，一些被水平和/或垂直取向。
15.根據(jù)權利要求13所述的轉(zhuǎn)換裝置，其中所述點或條的尺寸大約為50A至120 A。
16.一種將熱能轉(zhuǎn)換成電能的方法，該方法包括并列放置由小的間隙隔開的較冷端 轉(zhuǎn)換表面和較熱端輻射表面；在所述冷表面上或其附近提供較低能態(tài)電子；將所述較低能 態(tài)電子庫侖耦合到所述熱表面上的載流子電荷；通過所述耦合將熱量從所述熱端表面轉(zhuǎn)移到所述冷端表面的較低能態(tài)電子，從而將所述較低能態(tài)電子激發(fā)到較高能態(tài)；在所述冷表 面處或其附近收集所述較高能態(tài)電子，以生成較高電勢；以及響應于所述較高電勢來提取 所轉(zhuǎn)換的電能。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換冷端表面包括互連的轉(zhuǎn)換器單元的陣 列，每一個轉(zhuǎn)換器單元具有相應的支持所述較低電子能態(tài)和較高電子能態(tài)的量子阱，并且 所述轉(zhuǎn)換器單元的陣列保持在地電勢。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中收集所述較高能態(tài)電子是通過在所述冷端上的 這種接地阱和較高電勢阱之間進行隧穿實現(xiàn)的。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中使所述轉(zhuǎn)換器單元每次僅提升單一類型的載流 子電荷。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述單一類型的載流子電荷是電子或空穴之
全文摘要
一種改良的熱電轉(zhuǎn)換方法和裝置，包括并列放置的較熱表面和較冷表面，所述較熱表面和較冷表面由小的真空間隙隔開，其中所述冷表面沿著該表面提供單一載流子轉(zhuǎn)換器單元的陣列，而通過庫倫靜電耦合交互，所述熱表面使激發(fā)能量跨過所述間隙轉(zhuǎn)移到相對的冷表面。
文檔編號H01J45/00GK101904024SQ200780037442
公開日2010年12月1日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權日2006年8月7日
發(fā)明者D·吳, P·哈格爾施泰因 申請人:Mtpv公司