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復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)問世

人類一直試圖讓設(shè)備自動(dòng)從周圍環(huán)境中獲取能量。早在20世紀(jì)初，研究人員就通過不同的途徑研究此類設(shè)備。如今，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授王中林的研究小組開發(fā)出能同時(shí)收集太陽能和機(jī)械能的復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)，并首次實(shí)現(xiàn)了能同時(shí)收集多種能源的單一集成器件。這一最新的研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》網(wǎng)絡(luò)版上。

　　王中林、王旭東博士和博士生許晨等在他們2006年發(fā)明的直流納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，集成了染料敏化太陽能電池的功能。兩個(gè)發(fā)電單元都基于氧化鋅納米陣列，共用同一個(gè)金屬電極。此外，通過不同的設(shè)計(jì)及組裝步驟，太陽能電池和納米發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)的集成方式。

　　迄今為止，人類所使用的太陽能電池和機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)都是根據(jù)不同的工作原理設(shè)計(jì)的獨(dú)立器件。但是人類對(duì)能源的需求日益增加，迫切需要一種能全天候收集所有可用的各種形式的能源的技術(shù)，特別是太陽能和機(jī)械能。王中林小組的研究成果表明，他們研制出一種能同時(shí)收集太陽能和機(jī)械能的新型集成發(fā)電機(jī)。經(jīng)過測(cè)試，這兩部分功能單元既能同時(shí)實(shí)現(xiàn)又能獨(dú)立且不受影響地工作。而且，通過兩種不同的串并聯(lián)設(shè)計(jì)，輸出電流、電壓及功率實(shí)現(xiàn)了明顯的提升。除此之外，該研究還發(fā)現(xiàn)太陽能電池單元的電壓輸出能夠大大提高納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

　　王中林介紹說，在串聯(lián)集成發(fā)電機(jī)中，太陽能電池單元的陽極和納米發(fā)電機(jī)的陰極被集成在同一塊硅片上。在測(cè)試時(shí)，集成發(fā)電機(jī)置于模擬太陽光照下，其下部納米發(fā)電機(jī)單元處于超聲波發(fā)生裝置中。由于超聲波的驅(qū)動(dòng)，氧化鋅半導(dǎo)體和金屬電極之間的肖特基勢(shì)壘(指具有整流特性的金屬—半導(dǎo)體接面)則能控制電荷的積累與釋放，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生了一個(gè)壓電電勢(shì)差，電子因此被注入中間電極中，同時(shí)又參與太陽能電池單元的氧化還原反應(yīng)，因而增加了太陽能電池單元的電流輸出。

　　而在與之相類似的并聯(lián)集成發(fā)電機(jī)中，太陽能電池單元和納米發(fā)電機(jī)的陽極被集成在同一塊鍍鉑的硅片上。在同樣的測(cè)試條件中，并聯(lián)結(jié)構(gòu)使電子在納米發(fā)電機(jī)肖特基勢(shì)壘區(qū)域積累，致使陰極陽極間的費(fèi)米面能級(jí)被重新調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)集成發(fā)電機(jī)可以將納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓從幾個(gè)毫伏提高到幾百個(gè)毫伏，它提供了一種新的納米發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能的方式。

　　王中林說，人類生存的環(huán)境里存在各種各樣的能量供我們開發(fā)利用，例如隨機(jī)振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)動(dòng)能(例如在靠近公路的地方)、太陽能、溫度梯度勢(shì)能(例如在數(shù)米深的地下溫度梯度相對(duì)恒定)、生物化學(xué)能以及超聲波，甚至聲波噪音等外部能源。他們的這項(xiàng)新發(fā)明首次證明了同時(shí)收集多種能源的集成混合發(fā)電機(jī)是可行的，同時(shí)，該研究也開辟了高效地同時(shí)利用多種不同能量的研究領(lǐng)域。這將使人類無論何時(shí)何地都能更有效地利用任何可用的能源