水利万物而不争，传统的水电站利 用水的宏观势能发电，给人类带来了便捷的电力，但利用水分子自身的微观量子特性进行发电的器件还鲜有报道。
近来，浙江大学林时胜团队和北京大学刘开辉团队提出了一种水分子极化驱动的动态PN结直流发电机，利用外部机械能在水分子与半导体界面引入动态极化过程，通过动态PN结反弹极化电荷输出电能，系统提出水分子极化与去极化过程可以产生宏观电能。
相关成果以“Polarized Water Driven Dynamic PN Junction-Based Direct-Current Generator”为题发表在Research上（Research, 2021 DOI: 10.34133/2021/7505638，本文共同第一作者是浙江大学陆阳华、延燕飞、余旭涛以及北京大学周旭）
研究背景
随着物联网、可穿戴电子设备等行业的兴起，对能源供应技术提出新的要求，急需寻找一种可随时随地持续获取能源的原位轻型发电机。
早期基于法拉第电磁发电机，大型的水电站极大程度上解决了广大人民群众的日常用电问题，直到现在还是日常、工业用电的主要能量来源。
半导体物理与器件的发展促进了芯片的发展与人类信息化进程。但关于水与半导体的相互作用，用来发电还少有报道，2020年浙江大学林时胜课题组提出利用水分子在石墨烯与半导体之间流动发电（https://arxiv.org/abs/2007.04556）。
最近该课题组联合北京大学刘开辉课题组，利用水分子的极化与去极化过程，提出了基于水与全半导体体系的交互发电器件。
研究进展
浙江大学信电学院林时胜领导的高效发电与信能一体化团队近来发现了基于动态肖特基二极管结构的高电流密度直流发电机，并提出基于半导体理论的物理图像（Adv. Mater., 2019, 31, 1804398; Matter, 2019, 1, 639; Adv. Sci., 2019, 6, 1901925）。
随后扩展到半导体PN结二极管中，建立相应的半导体理论框架（Arxiv:1901.00701; Research, 2019, 5832382; iScience, 2019, 22,58）。进一步发现相同半导体间也可以输出直流电，系统完善了的动态半导体二极管的半导体理论框架，验证了半导体费米能级差与界面内建电场在载流子输运过程的重要作用（Research, 2020, 5714754）。
由于高度极化的水分子可以作为导电介质，在动态二极管中引入极化水分子作为移动电介质，可以实现将低能、无序的水流能源转换为连续直流电；同时解决了动态二极管界面损耗的问题，提高发电器件寿命。
动态PN结水流发电机如图1所示，水滴位于PN结的中间界面，随着水滴任意方向的移动，极化载流子在PN结界面反弹产生电输出。
图1 动态PN结水流发电机及其载流子动力学过程
动态PN结水发电机界面处的水分子极化过程是电流电压产生的根源。
图2是动态PN结水流发电机中的发电与速度、方向、体积的关系进行研究，这些系统实验证实了动态PN结水发电机的输出与动态水极化程度正相关，这种极化程度正是由水流的速度或体积决定，且不受水流方向的限制。
为了探索动态PN结水发电机的动态水极化机理，发现具有不同费米能级的电阻率为0.001-10000 Ω·cm的硅片相应的发电电压为0.01-0.30 V，和动态PN结的费米能级差匹配。同时，只有极化分子溶剂如水、乙醇、乙二醇等可以产生电，进一步验证了动态PN结水发电机的动态水极化机理。
图2 动态PN结水流发电机中的发电与速度、方向、体积的关系
图3 动态PN结水流发电机的费米能级势垒与水极化机理
与其他的水流发电机相比，动态PN结水发电机具有轻质化、持续直流发电机的优势，供电过程中无需外加整流电路与储能单元，更是具有轻质化、便携等特点。
同时其内部阻抗是相当低的(~390 kΩ)，与半导体元器件的的阻抗更匹配(~kΩ)。
基于此，我们设计了一种动态PN结水发电机作为可穿戴便携能源的应用模型。随着持续的机械能输入，可以稳定、连续地输出一个0.11 V的直流电压。以上均表明动态PN结水发电机作为新一代的轻质化、柔性高效原位能源获取技术应用于可穿戴电子设备供电领域中的极大潜力。
未来展望
动态PN结水发电机可以实现对低频、无需水流能源的获取，且无需外加整流电路以及电量存储单元，即可输出连续的直流发电。
其作为新一代的轻质化高效原位能源获取技术可以应用于物联网、可穿戴电子设备供电领域。动态肖特基二极管、动态PN/NN结、动态二极管水发电等构成的动态二极管直流发电机体系，有望实现与基于半导体元器件的信息-能源一体化。
作者简介
林时胜，博士生导师，现任浙江大学教授/博导，带领高效发电与信能一体化团队在高效光电和发电器件领域取得了一些重要研究成果，包括高效新型发电器件、高效太阳电池、高效自驱动光电探测等方向。率先提出了动态二极管发电机的概念与器件物理框架。目前已在Research、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、iScience、Matter、Adv. Funct. Mater.、 Nano Energy、Nano Lett.、Adv. Sci.等期刊发表学术论文80余篇，被引用超3000次。授权发明专利近20项，担任Science Bulletin副主编等学术兼职。
林时胜个人主页：https://person.zju.edu.cn/shishenglin
来源：Research科学研究
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