CN105723533B - 使用固态装置作为能量转换器并且使用纳米工程多孔性网状材料的预平衡***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将多种能量形式转换成电的能量转换装置。所述能量形式可以是化学、光伏或热梯度。所述能量转换装置具有第一和第二电极。存在衬底，上面放置有多孔性半导体或介电层。衬底本身可以是平面、二维或三维的，并且具有内部和外部表面。这些衬底可以是刚性、柔性和/或可折叠的。所述多孔性半导体或介电层可以是纳米工程结构。在所述多孔性半导体或介电层的至少一部分上放置多孔性导体材料使得至少一些所述多孔性导体材料进入所述多孔性半导体或介电层的所述纳米工程结构中，由此形成交织区。

Description

使用固态装置作为能量转换器并且使用纳米工程多孔性网状 材料的预平衡***和方法
技术领域
本专利文献一般涉及能量转换***并且更具体来说涉及使用固态发电机产生电功率、辐射束或机械运动的方法和***，所述固态发电机具有包含多孔性材料网状结构(例如纳米线阵列或纳米工程结构，或纳米粒子，或胶体糊状物)的平面或三维表面。
背景技术
最近已证实使用固态发电机将化学能和其它能量形式转换成电，例如美国专利第6,114,620号、第6,218,608号、第6,222,116号、第6,268,560号、第6,327,859号、第6,649,823号、第7,371,962号以及第7,663,053号中所解释。美国专利第6,114,620号、第6,218,608号、第6,222,116号、第6,268,560号、第6,327,859号、第6,649,823号、第7,371,962号以及第7,663,053号以全文引用的方式并入本文中。此类能量转换装置有效转换化学和其它能量形式。举例来说，本文的图1示出了固态发电机以及显示此类装置的特征的曲线。如本文图1-A中的横截面中所示，电荷载流子(一般为电子e-)在传导面10A上或附近由激发器12A供能。电荷载流子例如通过化学反应或其它能量形式供能。在每种情况下，将电荷载流子注入到半导体导带中。举例来说，电荷载流子以弹道形式从导体10A移动到半导体或介电质11A中。导体10A很薄使得电子以弹道形式有效通过其行进，不因为与其它电子、声子或原子碰撞而失去大量能量。因为半导体导带与导体或传导催化剂的费米能级(Fermi level)之间存在能量偏移，所以结果为跨越正极17A和负极16A的电压14A。在图1-A中，介电质结15A为经专门选择以形成趋向于阻碍电子弹道式运动的电势电压势垒的半导体结，如图1-B中的11B所示。图1-B显示装置中的电势随着零偏移时沿装置的距离而变化。
电势电压势垒可以使用许多方式中的任一种来形成，例如图1-C中所示的肖特基势垒、图1-D中的p-n结或图1-E的导体-介电质-导体结。介电质是导电的。正向偏压二极管提供一种最简单的方法来执行这一能量转换装置。图1-C描绘正极端子为导体/金属的正向偏压肖特基二极管。
发明内容
本发明专利文献描述具有新颖三维装置结构的多个实施例，所述结构可以在平面二维衬底或三维衬底上。二维或三维衬底可以是刚性或柔性/可折叠的。多个实施例通过提高装置的每个二维区域单元可产生的功率(即电)量改进早期固态发电机。本文所述的新颖装置结构具有固态结。这些装置结构包含多孔性半导体或介电质以及导体和/或催化剂的纳米簇以形成固态结。尽管复合物***中存在空隙，但不同多孔性半导体/导体或传导催化剂材料例如可以是整合***或所述材料可以物理连接成网状结构。材料形成纳米大小的簇时，就是纳米簇。固态结可以是(但不限于)肖特基二极管或p-n结。还揭示制造用于产生电或其它能量形式的所披露的装置结构的方法/工艺。
披露将化学能转换成电或其它能量形式的能量转换装置。能量转换装置的第一方面包含连接到衬底的第一电极。多孔性半导体(或介电质)层安置于衬底上，其中在衬底与多孔性半导体(或介电质)层之间有任选的无孔半导体(或介电质)层。多孔性半导体层具有纳米工程结构。多孔性催化剂材料位于多孔性半导体(或介电质)层的至少一部分。至少一些多孔性催化剂材料进入多孔性半导体层的纳米工程结构，形成交织区。存在第二电极，并且在燃料、多孔性催化剂材料和多孔性半导体层之间发生化学反应期间在第一电极和第二电极之间形成电势。还存在从固态发电机去除热的散热片，其中散热片的散热片温度高于环境温度。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经图案化形成三维表面，由此提供用于化学反应的增加的表面积。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经图案化形成纳米线。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底经纹理化形成峰和谷。
在本文披露的另一方面，能量转换装置在衬底和多孔性半导体层之间具有无孔半导体层。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为二维和平面的。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为三维的并且具有内部和外部表面。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为刚性的。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为柔性的。
在本文披露的另一方面，能量转换装置的衬底为可折叠的。
在本文披露的另一方面，固态结为肖特基二极管。
在本文披露的另一方面，固态结为p-n结。
在本文披露的另一方面，固态结为导体-介电质、介电质-介电质、导体-介电质-导体或介电质-导体-介电质结。
在本文披露的另一方面，多孔性半导体层包含选自以下的半导体材料：包括结晶、多晶或多孔性TiO2、SrTiO3、BaTiO3、Sr.sub.13x-Ba_y-TiO_z、碳化硼、LiNiO、Al2O3、ZnO以及LaSrVO3的材料群组，以及包含PTCDA或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐的有机半导体。
在本文披露的另一方面，纳米级导体簇的不连续多孔性覆盖率超过多孔性半导体层。
在本文披露的另一方面，导体层包含多个纳米级簇。
在本文披露的另一方面，纳米级簇包含催化剂。
在本文披露的另一方面，一或多个能量转换装置电串联、电并联或串联和并联的组合连接。
在本文披露的另一方面，一或多个能量转换装置热串联、热并联或串联和并联的组合连接。
在本文披露的另一方面，能量转换***包含一或多个能量转换装置的活性表面上的汇流条，其尺寸大于隧穿尺寸。
固态发电机可以通过化学反应能量、光伏或热梯度供能，并且其可以制造于刚性衬底或柔性/可折叠衬底上。装置从化学反应能量产生机械运动由以下组成：使液压流体与纳米工程结构的非反应侧接触，导体/催化剂和纳米工程结构的表面经机械成形以提高流体受到的单向力。还可以使用例如纳米试管的其它方法来转换成机械能。在反应产物与其周围环境平衡之前的短暂间隔期间，设备将大部分此类产物能量转换成有用功。本发明涉及在达到热平衡之前，以释放的能量的形式从催化剂表面上发生的化学反应提取电或机械能或相干辐射。
附图说明
作为本说明书的部分包括在内的附图展示了多个实施例，并且连同上文给出的总体描述和下文给出的实施例的详细描述一起用来阐明和传授本文所述的原理。
图1-A示出了固态发电机。
图1-B示出了势能对比与装置的最高表面的距离的曲线，并且所述曲线指出固态结中电势势垒的作用。
图1-C示出了具有肖特基势垒的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
图1-D示出了具有p-n结电势势垒的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
图1-E示出了具有导体-介电质-导体电势势垒的示范性固态发电机中电势对比与装置的最高表面的距离的曲线。
图2示出了导体和/或催化剂-半导体界面的能带图。
图3示出了EMF产生机构的示意图。
图4示出了具有导体和/或催化剂的纳米线材料阵列的一部分的示意性横截面，所述阵列可以是传导催化剂网状结构。
图5a描绘三维多孔性网状结构的横截面图，所述三维多孔性网状结构由多孔性导体和/或催化剂组成，所述催化剂可以是与平面二维衬底上的另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。可任选地在平面衬底与上述多孔性三维层/网状结构之间***无孔夹层。
图5b为由多孔性导体和/或催化剂组成的三维多孔性网状结构的横截面显微图，所述催化剂可以是与另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。
图5c为具有三维多孔性网状结构的能量转换器的俯视显微图，所述三维多孔性网状结构由多孔性导体和/或催化剂组成，所述催化剂可以是与另一多孔性半导体或介电质三维层三维交织的传导催化剂三维层。
图6示出了具有多单元装置结构的能量转换器，所述多单元装置结构具有三维多孔性导体和/或催化剂的多个层，其可以是在平面衬底上的传导催化剂，和三维多孔性半导体或介电质网状结构。可以在平面二维衬底和上述多孔性三维层/网状结构之间***或不***无孔夹层。
图7示出了具有多孔性导体和/或催化剂的图案化三维网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是在三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间***任选的无孔层。
图8示出了具有多孔性导体和/或催化剂的三维多孔性衬底/支撑层(部分或完全)网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间***任选的无孔层。
图9a示出了具有多孔性导体和/或催化剂的纹理化三维网状结构的示范性能量转换器，所述多孔性导体和/或催化剂可以是在三维衬底上的传导催化剂和多孔性半导体或介电质，其中内部和外部表面经与可以是传导催化剂层/网状结构的多孔性导体和/或催化剂三维交织的多孔性半导体或介电层/网状结构覆盖。还可以在三维衬底和三维多孔性半导体或介电层/网状结构之间***任选的无孔层。
图9b为如图9a的三维纹理化衬底上的示范性三维能量转换器的横截面的显微图。
图9c为如图9a的三维纹理化衬底上的示范性三维能量转换器的俯视图的显微图。
图10示出和示范连接到散热片的能量转换器。
图11(a)和11(b)示出了热串联和电串联连接的第一和第二能量转换器，其中第一和第二转换器可以由相同或不同能源供能。
图12示出了热和电连接的若干示范性能量转换器。
图13示出了显示从最冷(结构的内部)流到最热(结构的外部)的反应物和冷却剂的示范性横截面，最热部位上固定有预平衡弹道式折射转换器组件。
图14-A示出了显示支撑衬底上与固态能量转换器组合件一起形成的惰性间隔物的示范性横截面。
图14-B示出了支撑衬底上间隔物和固态能量转换器组合件的示范性横截面细节。
图15示出了显示含有固态能量转换器组合件的衬底的堆叠并且显示堆叠元件之间的空间中反应物流、冷却流和废料流的示范性横截面。
图16示出了在支撑结构的表面上电串联连接的固态能量转换器组合件的示范性横截面。
图17示出了显示反应物和冷却剂流过支撑结构并且绕结构上的固态能量转换器组合件流动的衬底的示范性横截面。
图18示出了含有固态能量转换器和间隔物的示范性表面，所述表面卷起，使反应物和冷却剂流过卷筒。
图19示出了将催化反应释放的能量转换成机械功的装置的示范性实施例的横截面。
图20示出了以压电方式产生电的装置的示范性实施例的横截面。
图21示出了根据本发明产生电或辐射束的布置的示范性实施例。
本文所述的上述和其它优选特征包括元件的实施和组合的多种新颖细节，现将参看附图更具体地描述并且在权利要求书中指出。应理解，具体方法和设备仅通过说明的方式显示并且不作为权利要求书的限制。所属领域的技术人员应理解，本文中传授的原理和特征可以在不脱离权利要求书的范围的情况下用于多个和许多实施例中。
具体实施方式
描述用于产生电和或转换成其它能量形式的方法和设备。本文披露的每一个特征和传授内容可单独使用或与其它特征和传授内容结合使用。参考附图进一步详细地描述单独和以组合形式使用这些其它特征和传授内容中的多个的代表性实例。这一详细描述仅打算向所属领域的技术人员传授用于实践本传授内容的优选方面的其它细节并且不打算限制权利要求书的范围。因此，以下详细描述中披露的特征的组合可能在最广泛意义上不必实践传授内容，而是仅为了具体描述本传授内容的代表性实例而传授。
在以下描述中，仅出于解释的目的，阐述特定的命名法以提供对本文所述的多个实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将显而易知的是这些具体细节对于实践本文所述的概念并非必需的。
此外，可以并非具体和明确列举的方式合并代表性实例和从属权利要求的各种特征以提供本发明教示的其他适用实施例。还应明确地注意，出于原始披露内容的目的，以及出于限制所要求的主题的目的，实体群组的所有值范围或指示披露每一个可能的中间值或中间实体。还应明确地指出，图式中显示的组件的尺寸和形状经设计以帮助理解如何实践本发明传授内容，但并不打算限制实例中显示的尺寸和形状。
额外实施例热并联和/或串联连接固态转换器以及电并联和/或串联连接固态转换器。连接的转换器进一步并联和/或串联连接。热连接与电连接物理上不同。能量源和热源包括具有独特空间不均匀温度特征，暂时偶发性和不恒定能量爆发的那些能量源和热源，并且多个区域可呈现不均匀热流动速率。
本文所述的多个实施例为将不同能量形式转换成电或其它能量形式的固态装置。使用与本文所述的那些类似的电子传输机制的先前装置的限制因素为装置的每个二维区域单元产生功率的表面积。本文所述的多个实施例通过增加固态能量转换器装置的表面积而不显著增加此类装置的二维区域来克服这些问题。
供能方法包括使用化学反应能量、光伏法、使用传播和/或渐逝电磁辐射、使用电库仑耦合、使用热流和相关热梯度、使用太阳能激发器、使用热源(例如地热、摩擦和核热源)、使用核供能、使用现场电离辐射、使用放射性废物辐射、使用火焰加热器和催化加热器、使用热-电和塞贝克效应(Seebeck effect)以及使用压电供能。
本文例如在图4到9中所述的装置结构和方法/工艺包括(但不限于)：(a)纳米线、纳米纤维或纳米管；(b)具有互连壁和孔的多孔性纳米工程结构；以及(c)具有渗滤网状结构的多孔性纳米工程结构。制造方法/工艺包括(但不限于)引导膜生长产生多孔性结构或/和纳米工程结构。制造此类装置的方法包括(但不限于)(i)污染氧化和蚀刻；(ii)干式和/或湿式氧化和蚀刻；(iii)电化学氧化和蚀刻；(iv)阳极化氧化和蚀刻；(v)微弧氧化和蚀刻；溶剂、糊状物或胶体中的半导体、介电质、金属、导体和/或可以是传导催化剂的催化剂、金属盐的纳米粒子；以及(vi)溶胶工艺。对于特定半导体和介电质(例如硅)，全部这些制造方法/工艺仅需要蚀刻向材料中引入孔隙率和纳米工程结构。
在某些实施例中，描述化学能转换装置，其利用多孔性半导体或介电质和多孔性导体和/或催化剂，这些可以是平面二维衬底或三维衬底上的传导催化剂、一个整合单元/网状结构。二维或三维衬底可以是刚性或柔性/可折叠的。介电质或半导体(例如二氧化钛(TiO2)，有时称为氧化钛)、半导体网状结构的多孔性薄膜例如可以通过在无孔平面衬底(例如硅)上或沉积于平面衬底上的无孔支撑层(例如硅上的无孔TiO2层)上沉积金属钛(Ti)的薄膜来制造。这一沉积的薄金属Ti膜随后可氧化形成TiO2并且通过以下方式进一步改性在其微观结构中形成纳米多孔性孔洞：(i)污染氧化和蚀刻，(ii)干式或湿式氧化和蚀刻，(iii)电化学氧化和蚀刻，(iv)阳极化氧化和蚀刻，或(v)微弧氧化和蚀刻。全部这些工艺中涉及的化学试剂包括(但不限于)氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、过氧化氢(H2O2)或/和氢氧化钠(NaOH)。还可以在沉积的金属Ti薄膜与平面衬底之间***充当势垒层的额外无孔材料层，从而进一步提高装置电气效能。在另一实例中，衬底本身可以是三维结构，例如(但不限于)多孔性硅、纹理化硅表面以及图案化硅晶片。同样，可以在上文所述的金属Ti层和三维衬底之间***半导体或介电质(例如TiO2)的额外无孔薄层。作为另一实例，可以通过使用导体/催化剂、半导体和介电质的纳米粒子的印刷技术或旋涂在二维或三维衬底上制造多孔性导体和/或催化剂(可以是传导催化剂)，以及多孔性半导体或介电质的整合体。
尽管使用TiO2描述本文所披露的各种实施例，但是当论述TiO2时，可使用例如具有纳米工程结构的多孔性半导体和介电质的薄膜的其它材料而不脱离本文中的传授内容。此类其它薄膜多孔性材料包括(但不限于)硅；Al2O3；GaN；GaAs；Ge；ZnO；二氧化硅；碳；铌、钽、锆、铈、锡以及钒的氧化物。这些材料还适用于下方平面和三维衬底或支撑层。相同处理方法还可以用于装置制造中。
如将论述，在多孔性半导体的内部和外部表面上放置催化剂和/或导体以形成多个(并且优选地，并且大量)固态结。可用于与多孔性纳米工程半导体或介电质网状结构一起形成固态结的催化剂和/或导体可以是贵金属或其它金属，例如(但不限于)Pt、Au或Pd。这些导体和/或催化剂可以使用许多方法沉积，包括(但不限于)使用溶剂、糊状物或胶体中的纳米粒子或/和金属盐；薄膜沉积随后退火以使形成的纳米粒子成核或糊状物/溶剂/沉积方法的组合；化学气相沉积(CVD)；溅镀；蒸发；原子层沉积(ALD)；或溶胶工艺。
转而参看图2，描述能量转换的机制。图2描绘能量转换装置的催化剂-纳米线界面的能带图200。电荷载流子激发器205与催化剂和/或催化剂导体210接触。电荷载流子激发器205(在这一情形下，为包含燃料和空气的化学反应激发器)向半导体215的导带220中注入电子240。此处，电子240遭遇半导体215和导体210之间的肖特基类电势势垒225，并且所述导体还可以是包埋导体的顶部电极层(未示出)。电子240接着在导体210和半导体215之间的界面处通过内置式电场朝底部接点(未示出)定向。电子240在外部电路(未示出)中行进，由此将其能量转移到负载，随后通过顶部接点(也未示出)返回到催化剂/导体部位。图2中所示的电路的输出电压将取决于催化剂/导体和半导体的导带中费米能级之间的电势偏移(势垒)。
换句话说，如图3中所图示，氧化-还原(氧化还原)反应诱发催化剂部位与半导体部位之间电子的化学电势差，这继而导致EMF(Δμ＝V2-V1)。
在本文所述的一个实施例中，是将化学能转换成电的化学能转换装置。使用与本文所述的机制类似的电子传输机制的先前装置的限制因素为可能发生的催化反应的速率。如本文所述的装置的化学能转换器装置的电产生与反应速率和燃料转换率成比例，并且反应速率和燃料转换率与至少(i)发生催化反应时的温度，和(ii)催化剂的总表面积成比例。然而，提高表面积一般导致装置二维上变大，并且因此增加装置的尺寸，这是不合需要的。同样，可以提高温度来提高反应速率，但提高温度也可能不合需要。本文所述的多个实施例通过增加化学能转换器装置的表面积而不显著增加此类装置的二维区域来克服这些问题。
图4示出了化学能转换器装置400的实施例。具体来说，图4示出了具有纳米线415的装置，其形成于衬底层(未示出)上，其中衬底层可包含介电质或半导体(例如氧化钛(TiO2))的多孔性薄膜。衬底层形成于电极410上，所述电极可以由金属传导材料或高度n-掺杂半导体材料制成。电极410可以在衬底层之下或在衬底和纳米线415之间。纳米线415可包含纳米工程多孔性半导体材料或纳米工程多孔性介电质。无论哪种方式，纳米线415形成导电阵列。导电材料420在纳米线415的表面上，但是还可能存在***材料。导电材料420可以是金属粒子，其中各金属粒子与形成纳米线415的半导体材料形成肖特基二极管结。在使用时，能源430(例如氢气，或甲醇或天然气，和空气)或单一推进剂能源或燃料(例如过氧化氢)与催化剂420接触，这使来自导体420的电子注入到半导体405中，所述半导体随后附接到电极410。这样产生电。在催化剂/导体420上形成第二电极425，所述电极与底部电极410结合形成电路，使得电流将在电极之间流动并且在电极之间产生电压电势V输出。
纳米线415提供提高整体效率的若干优势。纳米线415具有表面积，意味着各纳米线415提供的表面积显著大于不存在纳米线415的相同二维区域将提供的表面积。与催化剂沉积是二维的能量转换装置相比，纳米线提供的额外表面积允许在纳米线上沉积更多催化剂/导体材料。纳米线上催化剂纳米粒子、纳米簇的存在为化学反应提供更多反应部位，导致较低温度下的反应/转换速率提高。另一优势在于多孔性网状结构还促使反应物扩散到位于纳米线内表面上的催化剂并且促使反应产物从催化剂去除。
在一实施例中，纳米线415由提高电子传输的单晶TiO2纳米线构成，可以使用多种单个便宜的方法合成，例如在例如热液处理时从外延晶种层上从钛源生长。底部接点410为具有导电层的导电衬底，所述导电层提供用于纳米线生长的外延模板，例如在TiO2纳米线情况下为FTO(氟化氧化锡)。顶部接点425必须电连接催化剂/导体的多孔性网状结构。催化剂/导体可以是糊状物或电解质。同样，导体和或催化剂可以使用纳米粒子糊状物、纳米粒子溶剂、薄膜沉积或其任何组合沉积。
图5a示出了能量转换器装置的另一实施例，其包含与多孔性半导体或介电层515在交织区510处三维交织的三维多孔性催化剂/导体层505，所述多孔性半导体或介电层又可以置于平面衬底525上。层515可如上文所述用TiO2建构，并且可呈蜂巢样结构的形式，所述结构为具有互连壁界定孔的纳米工程结构或具有渗滤网状结构的纳米工程结构。无论哪种方式，蜂巢样结构允许催化剂纳米粒子从催化剂层505进入蜂巢结构的空间并且停留在半导体或介电层515的表面上。这一蜂巢结构使层515呈三维多孔性。这些纳米粒子可以例如是铂或任何金属。半导体或介电层515的蜂巢样结构可见于图5b-图5c的显微图中。
同样，三维多孔性催化剂层505可包含多孔性网状结构、个别纳米簇/粒子或两者的组合，并且可以由例如铂建构。与多孔性半导体或介电层515一样，催化剂/导体层可呈蜂巢样结构的形式。任选地，其可以是充当顶部电极的筛网或连续***。图5b-5c的显微图中可见示范性三维多孔层505。交织区510的特征在于其较大内表面区域，其中可遍布有催化剂/导体以建构催化剂/导体-半导体结的三维网状结构。图5b-5c的显微图中可见示范***织区510。
能量转换器500可任选地包括通过标准沉积方法沉积的无孔半导体或介电层520以在下方的衬底与上方的多孔材料之间提供势垒层，所述方法例如蒸发、化学气相沉积(CVD)、溅镀或原子层沉积(ALD)。
在图5(a)所示出的实施例中，可在部分或全部催化剂/导体层505上形成顶部电极530。同样，底部电极535可形成于平面衬底525的下方。这两个电极可以电连接到外部负载形成完整电路。
图6示出了另一个实施例，其中多个如图5(a)中的能量转换器装置500配置成n个单元602a-602n并且因此叠加堆叠。如图6中所示的化学能转换器600是多单元装置结构，其具有多个可以在平面二维衬底上制造并且垂直整合的多孔性催化剂层605a-605n和多孔性半导体/介电质网状结构615a-615n。具体来说，化学能转换器600可具有底部电极635，它上面安置有平面衬底625。需要时，可在平面衬底625上放置无孔半导体或介电层620。使用此类层620充当下方衬底与上方多孔材料之间的势垒层。化学能转换器600的第一单元602a包含由半导体或介电质材料构成的多孔层615a，所述材料可以由例如TiO2建构。第一单元602a还包含使用上文所述的方法放置在上面的三维多孔性催化剂层605a，并且可包含多孔性网状结构、个别纳米簇/粒子或两者的组合。催化剂层605a可以由例如铂建构。在层615a和催化剂层605a之间的界面处，材料在第一交织区610a中三维交织。
为了增加所产生的电量，化学能转换器装置600具有叠加堆叠的额外单元602b到602n。举例来说，在第一单元上形成由第二多孔性半导体或介电层615b和第二催化剂层605b构成的第二单元602b，其中在第一单元602a和第二单元602b之间形成三维交织区612a。同样，在第二催化剂层605b和第二多孔性半导体或介电层615b之间形成第三三维交织区610b。
为了进一步增加能量产生，可以向化学能转换器600添加n个额外单元602n。每一个额外单元都由n个第二催化剂层605n和n个多孔性半导体或介电层615n构成，其中在催化剂层605n和多孔性半导体或介电层615n之间的每一个界面处形成三维交织区610n。每个单元之间将形成三维交织区612a-612m。此类多个单元结构显著增加用于反应部位发电/转换的总催化剂导体-半导体界面区域而不包括较大装置，由此提高通过化学反应的燃料转换和相应电输出。
图7中示出的另一实施例，其中能量转换器700具有建构于三维表面上的图5中所述的多孔性催化剂和多孔性半导体的整合体。此类三维表面的表面积大于平面二维衬底，这导致用于发电/转换的活性部位增加，继而增加产生的电量。具体来说，参看图7所述的实施例具有底部电极735。使用例如标准光刻法图案化/蚀刻工艺在上面制造三维衬底725。在这一实施例中，衬底725形成图案化三维网状结构微沟槽712。如果需要，那么可以在图案化衬底725上放置无孔层720，其充当下方衬底与上方多孔材料之间的势垒层。如图5中所示的实施例中，在图案化衬底725(或无孔层720，如果存在)上放置多孔性半导体/介电质网状结构715。催化剂层705放置于多孔性半导体/介电质网状结构715上，其也进入多孔性半导体/介电质网状结构715的孔中形成交织区710。第二电极730放置于催化剂层725上，并且与第一电极735组合，产生电压，并且因此允许使用转换器装置700产生的电。
图8示出了包含多孔性三维衬底/支撑层825的化学能转换器800的实施例，其中内部和外部表面经类似于图5中所述的多孔性半导体或介电层815和多孔性催化剂805的整合体覆盖。具体来说，化学能转换器装置800具有底部电极835，上面放置有多孔性衬底/支撑层825。
第二电极830放置于层825上，并且与第一电极835组合，产生电压，并且因此允许使用转换器装置800产生的电。
三维多孔性衬底通常为非晶形的，其退火时可结晶。纳米工程结构通常由形成高度多孔性结构的互连壁和线组成。在其它物理和电特性中，可以通过加工参数调整孔尺寸、多孔层的厚度。
形成纳米工程多孔性网状结构或半导体或介电质(例如TiO2)层作为上面的催化剂的支撑物的另一种方法为利用TiO2纳米粒子的糊状物形成多孔性层/网状结构的薄膜。
图9a示出了具有三维纹理化衬底/支撑层925的实施例，其中表面覆盖有与图5中所述的实施例一样的多孔性半导体或介电质材料层915和多孔性催化剂905的整合体。具体来说，图9中示出的化学能转换器900具有底部电极935。上面放置有三维纹理化衬底925，其例如可通过蚀刻硅晶片形成。
纹理化衬底925形成峰和谷，由此产生三维反应区域。这一三维反应区域增加可用于化学反应的表面积，这增加特定时间量期间指定装置尺寸可发生的反应部位的数目，由此提高能量转换器900的发电能力。如果需要，那么无孔层920可以放置于纹理化衬底925上方。如上所述，无孔层920提供分隔下方衬底与上方多孔材料的势垒层。多孔性或半导体或介电层915放置于纹理化衬底925(或无孔层，如果存在)上。
催化剂层905放置于多孔性半导体/介电质网状结构915上，其也进入多孔性半导体/介电质网状结构915的孔中形成交织区910。第二电极930放置于催化剂层905上，并且与第一电极935组合，产生电压，并且因此允许使用转换器装置900产生的电。
如本文所述的其它实施例中，使用纹理化衬底925导致用于催化剂的表面积增加，这导致发电比具有平面二维衬底的能量转换器大。
图9b为描绘如图9a中的具有纹理化衬底的能量转换器的显微图。显微图示出了上面形成有半导体或介电层915的衬底925。纳米粒子形式的催化剂层905(未示出)在介电质/半导体层915上，并且纳米粒子进入层915的孔形成交织区。图9c示出了俯视图，其中可看见介电质/半导体层915的纹理。
本文描述使用纳米线阵列、纳米工程结构形成多孔性网状结构的装置结构以及其制造方法/工艺，所述多孔性网状结构包含专门产生电能的固态结。可以在二维平面衬底或三维衬底上制造装置结构。二维或三维衬底可以是刚性或柔性/可折叠的。示范性方法包含制造一或多个固态发电机。固态发电机包括选自包括光伏供能固态发电机的群组的一或多种发电机。
一个实施例为固态装置，其中提供导体和半导体材料之间的电迟延电势的结可包括至少一个导体-介电质、介电质-介电质或介电质-导体-介电质结。绝缘体和半金属在本文中视为介电质和金属的子群。术语“半导体结”包括具有由以下形成的量子井的半导体结：金属和/或半导体、具有大带隙和低掺杂的绝缘体材料以及非晶形材料、半金属、绝缘体、非晶形材料、多晶材料。术语“金属”包括重掺杂半导体、金属、半金属、重掺杂半导体、电导体。指导原则在于所述结向接近的电荷载流子提供迟延和可超越和/或穿隧电势。
在一个实施例中，如图10中示出，固态转换器可以连接到散热片以耗散来自能量转换过程的任何多余热量。可以由反应物和气体和或可以用物理方式连接到散热片的衬底提供散热片。参看图10，表面1001部分界定的区中含有催化剂的化学反应物可在表面附近反应，可在表面1001上、不远处或附近接触、吸附、离解、重组或形成反应中间体。
相比于导体，选择图10的实施例中的介电质和电势势垒材料1003作为半导体TiO2。导体1002与介电质半导体1003一起形成肖特基势垒。负电极1006和正电极1007之间观测到电势。导体和电极材料都包括选自包括至少一种导体(例如金属、传导氧化物)和衰减和重掺杂半导体(例如重掺杂硅)，和半导体、具有高ZT品质因数的材料的群组的材料。反应和肖特基结能量转换器产生的热排出到较冷温度的散热片1005。
图10中的较低温度散热片可包含反应物1000本身，因为这一装置中的反应物在供应到***时一般不热。
一个实施例包括使用除TiO2(包括(但不限于)例如金红石TiO2、锐钛矿TiO2、多孔性锐钛矿TiO2、SrTiO3、BaTiO3、Sr_x-Ba_y-TiO_z、LiNiO以及LaSrVO3)以外的介电质或半导体1003以及某些有机半导体(例如PTCDA或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐)。下标x、y和z表示根据常见惯例的浓度。SrTiO.sub.3的一个优势在于上面的肖特基势垒可以松开，相比于TiO2提供相对较大的势垒。
图10的一个实施例，散热片1005可以直接耦合到介电质1003，而在其它实施例中，不需要直接耦合。此类散热片可包括(但不限于)热管、具有流体流动的毛细管***、包括(但不限于)使用反应物本身、导热材料和对流法蒸发冷却，以及纳米级热梯度转换器。
在一个实施例中，如图11中示出，能量转换器***可包含连接到许多第二转换器的第一转换器，所述第二转换器连接到散热片。第一转换器可以化学供能。第一转换器可以由一种能源供能，而第二转换器可以由另一能源功能。或者，其可由类似能源功能。举例来说，第一转换器可以由化学反应供能，并且来自第一能量转换器的多余热量又给第二转换器供能。在包括其它第一能量转换***的配置中，一般来说，固态转换器热串联以及电串联或电并联连接。这一称为“串联-并联”的互连不排除用于确保可靠性的串联并联配置。举例来说，化学供能发电机的负电极1108以电和热方式耦合到第二转换器1101的正电极。第二转换器的负电极1103和半导体材料1102热耦接到较冷的散热片1110。电来自1106的正电极和负电极1103，并且因为这一实例的装置是串联的，所以也来自1101的正电极和负电极1103。注意，输出电压可以从正电极和负电极中的任一个分接。应注意，此类多个输出高度有利。
这种配置允许化学供能发电机在比不具有第二转换器的发电机高的温度下操作，允许提高反应速率并且因此具有较高功率密度。升高的温度还允许使用更宽范围的反应物和在一些反应物的点火温度操作。
参看图12，一个实施例递归重复热供能固态转换器，其各自以电和热方式串联到下一个转换器。第一阶段1201可以化学供能，发电机通过许多已知方法中的任一种供能。
递归重复的固态转换器1202接着从第一阶段1201的较高温度的‘排出热’和较低温度的环境散热片产生电。估算表明递归重复的热梯度转换器可在其热源和散热片温度之间实现约80％卡诺极限效率(Carnot limit efficiency)。
输出电压可以从正电极和负电极对中的任一个分接。一个实施例使用连接到一连串连接到散热片的第二热梯度转换器的第一能量转换器。图12示出了此类能量转换器。许多第二转换器1202串联连接。串联1202的一端连接到散热片1203。串联1202的另一端连接到第一能量转换器1201。第一能量转换器可以由热梯度、光伏或其它方式化学供能。组件1202的数目可以是零(0)到所要数目，两个端点都包括在内。1202的组件的主要功能为将来自事先连接的能量转换组件的排出热能的一部分转换成电势。
一个实施例可包括第一转换器1201，其连接到一连串第二转换器1202，其中的一或多个可包括介电质-导体-介电质结并且电串联和热串联链接，并且连接到散热片。
多个实施例提供用于固态能量转换器的散热片。用于冷却的散热片可以用多种方式实现，包括通过对流、相变或蒸发冷却，以及热管。可使用反应物或反应物组分。举例来说，图13示出了使用孔/孔洞1303的实施例，其具有支撑转换器的结构并且具有转换器组合件的内部，冷却剂、反应物、添加剂或这些材料的任何组合可以穿过其流动。代替孔/孔洞1303的通道、导管或管道未示出，但也适用于这一特征。各情况都具有其优势。材料1301从较冷侧1302通过孔或孔洞1303流到热区1304。冷侧1302和热侧1304都可包括反应物或添加剂，并且热侧与废料和气流有关。
冷侧1302的反应物1301以及较冷材料流1301的蒸发引起冷却。在堆叠热表面1305附近，反应物1301可浓缩并且燃料富集。
使用液体反应物或与加温器接触时变成气体的蒸发冷却剂1301，反应表面1305提供用于化学供能热电子工艺的所要气体物质。
一个实施例直接在空气动力表面上形成转换器。这允许直接产生电以及使用液体-气体转换产生的气体作为物质流来推动涡轮机或适用于操作和产生轴杆能量的其它机械抽取。
一个实施例在其发电机的低温散热片使用使用液态空气和其它液态气体1301。液态空气和类似惰性液态气体可向区1302提供散热片，废料区1304中的环境空气可提供热源，并且所述装置可由此使用温差直接产生电。液相/气相转变还可以同时操作机械能转换器，例如涡轮机。
一个实施例使用天然对流来提供气流。应注意，冷却空气体积的数量级通常可以大于反应空气体积。
一个基于图13的实施例还可以表示通用管几何结构(例如扁平管)的横截面。通用管的一或多个面上涂布有固态能量转换器。此处的“管”指的是具有任何部分中空的几何结构、具有任何相对壁厚(包括不均匀壁)的事物。举例来说，管可以是扁平的使得其看起来就像中间具有封闭空间供气体或流体流动并且体积在边缘处封闭的两个薄片。
参看图14，在包括导电层、导热层以及结构支撑层中的一或多个的结构上放置基础可堆叠单元。
实施例将一个以上或更多固态发电机组合件连接和堆叠在一起形成大量发电机。所述堆叠可以电串联或电并联连接。
图14中的横截面中所示的基础可堆叠单元的一个实施例包括关键元件：打算与上方的正极和功能侧1404以及下方的阴极侧电连接的固态转换器1401(其可仅由第一能量转换器构成或由第一和第二能量转换器构成)。能量转换器由正电极连接1402、负电极连接1403支撑和连接。结构1403可包括导电元件、导热元件以及强度结构元件中的一或多个。堆叠涉及在其它基础可堆叠单元上放置基础可堆叠单元，在转换器1401的活性区域上方留下空间用于能源和热源。这可以在任何可行配置或布置中实现。
图14-A和图14-B中所示的实施例将正电极1402、1404通过转换器1401连接到负电极1403。尽管示出了正电极1402和1403，但仅需要存在一个。其横截面显示于图15中。应注意，图15的各元件结构可以在垂直和/或水平方向递归堆叠以形成三维元件堆叠结构的矩阵。
图14-B提供关于电和热连接以及接口的细节，为了清楚起见在实施例中已故意忽略这些细节。
实际上，所属领域的普通技术人员将使用许多已知方法中的一种将电极连接到转换器。参看图14-B，一个实施例在结构1403上直接形成的绝缘体1405上放置正电极1402，接着形成电桥1406以将正电极1402电连接到转换器组合件的正极端和活性表面1404。结构元件1403实际上将包括连接到转换器的负极侧的电导体并且还将包括到转换器的热连接。一个简单实施例形成将导电并且导热的结构1403，例如5微米厚的铝箔或铜箔。
一个实施例将图14-A和图14-B中示出的基础可堆叠单元彼此上下地堆叠，形成大量发电机能量转换器。反应物和冷却剂1500流入堆叠之间的空间1501并且废料通过所述空间流出。
另一实施例通过将正电极连接到同一平面中相邻转换器的负电极来沿着堆叠的平面串联连接转换器。这可以通过几种方式实现，其中一种在图16中示出。在第一转换器1601A的正极侧和活性表面形成电连接1602并且将其连接到通过绝缘体1604分隔的互连导体1603。互连件1603与第二转换器1601A的负极侧1605电接触。在图16中，绝缘间隔物1600被显示为概念上位于转换器后面。两个串联装置置于衬底1606上。
图17中示出另一实施例，其提供通过基础可堆叠单元的主体的冷却剂和/或反应物1700。举例来说，固态转换器1701和间隔物1702形成于结构和衬底1703上，其内部1704有反应物和/或冷却剂1700流动。参看图18，这一实施例的装置可以卷起并且间隔物1702(在图18中编号为1802)和转换器1701(在图18中编号为1801)之间形成的卷筒之间的空间1705(在图18中编号为1805)允许反应物流入并且废料可流出空间1805。为了清楚起见，图17中也示出了间隔物1702/1802和电互连件。具体连接也可以与图16和图14-B中所解释的一样。
在这些实施例的每一个中，转换器可呈现许多形式，包括上文所述的支柱形式，并且可连接于几乎任意形状的许多表面上。
图19示出了一种装置的示范性实施例，其中通过催化剂表面、簇或纳米结构上或内的吸附和键结反应产生的声子的发射转换成液压流体压力。
根据图19中所示的实施例，在催化剂主体的第一侧上引入催化剂主体中的声子产生的压力形成声子波，其可由催化剂(或催化剂可定位的衬底)的几何形状引导使得声子行进到衬底的另一侧并且对流体赋予压力。这一行进的厚度可小于声子保持基本上不受打扰的方向上的平均距离。声子以一定角度(“入射”角)到达使得到达的声子的方向性和不对称性压力在催化剂主体的另一侧呈现波形运动，这推动流体(例如液体金属或牺牲界面)，使其在与底部表面平行的方向中移动。因为沿装置的底部表面的波形运动或直接脉冲，所以壁和流体之间展现表观负摩擦系数。
如图19的横截面图中所示出，示范性装置包含衬底1902，其顶部表面和底部表面具有锯齿形图案。底部表面与液压流体1904接触。如图19中所示出，衬底可以认为是包含多个子结构1900，其具有矩形横截面并且关于液压流体1904成角度的彼此邻近配置。
在衬底的顶部表面，各子结构1900包括包含催化剂的层1901。在相邻子结构之间的暴露侧表面上，各子结构1900包括关于催化剂和反应物呈惰性的材料层1902。各子结构的主体由衬底1903构成，所述衬底也充当声子波导。铂可用于催化剂层1901和衬底1903，空气作为氧化剂，乙醇或甲醇作为烃反应物燃料并且水或汞作为液压流体1904。液压流体还可以用作装置的冷却剂，由此允许高功率密度操作。
催化剂1901和衬底1903可以由相同材料(例如铂)构成。基于结构考虑因素、可制造性和/或阻抗匹配可使用其它衬底材料，使进入液压流体的声子运动的传播达到最大。
铂催化剂层1901和衬底1903的厚度应小于光学分支声子或高频声波分支声子的能量改变平均自由路径，这至少是10纳米数量级的并且可以高达1微米。
纳米制造方法可用于在衬底1902的表面上形成锯齿图案，具有此类图案的单元的尺寸高达1微米。
通过例如在顶部表面的锯齿图案的右侧面上沉积所示惰性层1902，由此产生用于反应并且因此用于声子传播的优先方向，如图19中的箭头所指示。
催化剂侧的声波、超声波或千兆赫声波瑞利波(Rayleigh wave)可用于促进反应速率并且同步声子的发射。所述波增加声子发射的量值并且引起相干发射，大大提高峰值和平均功率。
在另一实施例中，在衬底和流体之间配置材料薄层。这些层由衬底1902和液压流体1904之间具有声阻抗的材料构成，使得进入液压流体的动量透射最大并且回到衬底1904中的反射最少。应选择所述材料使得材料的体积模数和声子传播特性使来自衬底的声子基本上以最小反射和能量损失传播到流体中。
为了提高催化反应，催化剂和衬底结构可采取图4到9中所述的3-D多孔性形式。这增加反应区域和反应速率以使所产生的声子的量值增加。这增加了每个单元投射区域产生的运动。
在装置的另一实施例中，通过声子撞击材料时材料内的压电作用将催化反应产生的声子发射转换成电流。这种装置的示范性实施例显示于图20中。
图20的示范性装置包含配置于压电元件2003上的催化剂层2001，所述压电元件又配置于支撑衬底2004上。层2001、2003可以是如本文针对固态装置描述的三维多孔性结构，其置于刚性、柔性或可折叠的2-D或3-D纹理化衬底上。催化剂层2001可以实施为纳米簇、纳米层或量子阱或3-D多孔性网状结构。根据本发明，在压电元件2003的相对端提供电引线2002，跨越其产生电势。在图20的示范性实施例中，催化剂层2001包含铂，空气作为氧化剂并且乙醇或甲醇作为烃反应物燃料。压电元件2003可包含任何压电材料，包括通常不压电的半导体，例如InGaAsSb。半导体和铂之间的晶格失配产生应力，通常称为变形势能，其在具有高非线性的半导体，或铁电或压电材料(例如(Ba,Sr)TiO3薄膜、AlxGa1-xAs/GaAs以及应变层体InGaAs/GaAs(111)B量子阱p-i-n结构)中诱发压电特性。
如果压电元件2003由半导体构成，那么半导体变成将光子转换成电，收集电子产生电以及将声子转换成电的二极管元件。
在图20的示范性实施例中，随着反应物与催化层2001相互作用，反应产生的声子传导至压电材料2003中。因此，在电接点2002处在压电材料2003中诱发电势。
衬底2003的几何形状优选例如聚焦声子从而提高压电元件2003的非线性。这导致高频声子的自身校正。在一示范性实施例中，压电元件2003优选是曲面的并且是如透镜或集中反射器的形状从而将催化剂产生的声子聚焦到压电材料上。声子的聚焦在焦点处引起大幅度原子运动。这一聚焦诱发的原子运动使压电材料变得非线性，产生非线性反应，例如在焦点处在材料中产生电。这又导致压电材料成为声子诱发的高频电流的整流器。
声波、超声波或千兆赫声波瑞利波可用于图20的示范性装置的催化剂侧以促进反应速率和声子发射的同步、提高声子发射的量值和引起相干发射，大大提高传递到压电材料2003的峰值和平均功率。声波瑞利波加速铂催化剂表面上的氧化反应。可使用发生器(未示出)在催化剂2001的表面上产生表面声波。此类波可具有声波、超声波或千兆赫频率。瑞利波诱发反应，从而同步反应，这又同步声子的发射。结果是反应的脉冲式聚群，这提高传递到压电材料2003的功率。
图20的装置的操作频率优选在GHz范围内并且较低，使得压电材料2003产生的交流电的校正可以用常规方式实现，例如使用半导体二极管。
在另一示范性实施例中，电磁辐射(例如激发态产物(例如高度振动激发的自由基和最终产物分子)发射的红外光子)以光伏方式转换成电。受激的辐射发射用于从激发态产物(例如都在催化剂表面上并且自其解吸附的高度振动激发的自由基和反应产物分子)获取能量。获取的能量呈红外或光学能量的相干光束或超辐射光束的形式。辐射的频率对应于反应物的正常模式振动频率的基础(振动量子数的变化为1)或泛音(振动量子数变化2或更大)。在本发明中可同时获取几种不同频率。尽管所得相干光束其本身适用，但这一高强度光束还可以用光伏方式转换成电。根据本发明，此类发射通过催化剂表面上的反应形成，并且通过使用光学共振腔加速。图21示出了用于执行此类转换的发电机的示范性实施例。
图21的装置包含一或多个衬底2101(为了清楚起见，仅给其中一个编号)，催化剂2102(为了清楚起见，仅给其中一个编号)在上面布置成多个岛、纳米簇、量子阱簇或量子点。催化剂簇充分间隔开(例如几十纳米或更多)并且衬底足够薄(例如总光学厚度小于1厘米)，使得IR吸光度在物质发射的频率下降低。衬底2101上催化剂簇的组合件对于反应辐射大体上透明。催化剂2102优选是铂或钯。装置优选包含堆叠的多个衬底2101以允许大容量反应。同样，另外，为了提高催化反应，催化剂/衬底结构可以是事先在图4-9中所述的任何形式。
催化剂-衬底堆叠2101/2102封闭于具有如图4中所示配置的高度反射性元件2103和减少反射性元件2104的光学腔中。光学腔和催化剂-衬底堆叠2101/2102优选与反应辐射或其谐波共振。光学腔可用于促进谐波辐射(即量子数改变为2或更多的多极辐射)以增加辐射的能量。光学腔优选具有调谐到物质频率的谐波的多个频率(如在珐布里-珀罗腔(Fabrey-Perot cavity)中)。
将燃料2107(例如氢气、乙醇或甲醇)和氧化剂2108(例如空气)引入到光学腔中，它们在其中与催化剂-衬底堆叠2101/2102相互作用。在废料流中的相同化学组成的其他物质处于光学腔中并且光伏转换器2105收集辐射并且将其转换成电的时间期间，可以使用燃料的低浓度混合物使激发态振动能量到废料流中的相同化学组成的其他物质的共振转移、更换或衰变降到最低。随后是废料路径1209。
使用受激发射引发器和同步器装置2112来引发和同步光学腔中的发射。装置2112可以是通常可用的受激发射振荡器并且可以使用已知方式耦合到本发明的装置。光学腔可以用已知方式设计成形成辐射的受激发射。光伏电池在转换催化反应的长波长IR光子(每厘米1000到5000)特征时通常不是非常高效。装置2112的高峰值功率输出补救这一情境并且使IR光伏电池更高效。
光伏转换器2105置于催化剂-衬底堆叠2101/2102的容积的外部，可见到发射的辐射的任何地方。此类放置允许使用已知方法冷却光伏收集器2105。光伏收集器2105的电输出引线2106可以经二极管410耦合到电能储存装置2111。光伏转换器2105的输出以通常大于1兆赫兹的脉冲频率脉冲。电能储存装置2111可包含例如电容器、超级电容器或电池。由于高频率的脉冲输出，因此用作储存装置2111的电容器可以相当紧凑。电容器仅需足够大以收集单次脉冲的能量。电容器中储存的能量因此可以比转换器2105在1秒内传递的能量小几百万倍。
催化剂表面上的化学反应物允许谐波跃迁，因为其为跃迁的“梯级”的部分并且在催化剂表面上剧烈极化，这允许全部跃迁具有非零双极辐射跃迁矩阵元。另外，反应物不具有与气体中的游离分子相关的旋转拖尾，因为所述分子连接到表面并且不能旋转。这些特征通过辐射的受激发射允许近单色谐波光放大。
如图21的实施例中，物质刺激辐射的电磁能可以形成高亮度、半单色、多色辐射或相干光束。
在包括光伏半导体的每一个上述实施例中，催化剂优选在高表面功率密度(例如超过每平方厘米10瓦或峰值表面功率密度为每平方厘米至少1瓦)下操作以提高光伏半导体的效率。
本发明方法、装置和***提高在固态装置中用于产生电的结的能量转化效率。能源在结的一侧上注入电荷载流子，例如电子。当从结的一侧向另一侧注入净过量的电荷载流子时，将通过电场迫使电荷载流子在外部电路中行进。结果为将化学能转换成适用形式的电能。一些实施例在于当半导体材料中电荷传输或移动性提高时，这一过程的效率得以提高。
发电的替代机制为在纳米线网状结构或纳米工程多孔性网状结构/层和催化剂之间产生电化学电势差，这可以用作电动势(EMF)。半导体/催化剂表面可有利于氧化或还原反应中的一者，有效分离两种反应。这可以在催化剂部位和半导体表面之间形成电-化学电势梯度，这可以诱发外部电路中的电动势(EMF)并且驱动负载。
一个实施例包括由以下制成的纳米线阵列或纳米工程多孔性网状结构/层：介电质或半导体，包括(但不限于)例如金红石TiO2、锐钛矿TiO2、多晶TiO2、多孔性TiO2、ZrO2、SrTiO3、BaTiO3、Sr_x-Ba_y-TiO_z、LiNiO、硅、Al2O3；ZnO；SiC；GaN；GaAs；Ge；二氧化硅；碳；铌、钽、锆、铈、锡、钒的氧化物以及LaSrVO3，以及特定有机半导体，例如PTCDA，或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐。下标x、y和z表示根据常见惯例的浓度。SrTiO3的一个优势在于上面的肖特基势垒可以松开，相比于TiO2提供相对较大的势垒。
燃料、氧化剂、自动催化剂、刺激剂
本文所述的多种化学能转换器装置使用可储存反应物，包括氧化剂、自催化反应加速剂、减速剂和单一推进剂。液相(例如标准压力和温度下的液体过氧化氢H2O2)是适宜的，因为其蒸发热用作冷却剂并且液体可方便地储存。单一推进剂(例如H2O2和单甲基肼(MMH))同样适宜并且向转换器的活性表面供能。自催化加速剂包括单一推进剂，例如H2O2。
一个实施例使用反应和反应物对这些激发供能。反应、反应物和添加剂包括至少单一推进剂、具有氧化剂的高能量燃料、自燃混合物和添加剂，以及已知产生自催化物质的反应物、选择用于促进反应或控制反应的反应物的组合，以及其组合。反应物和/或添加剂包括(但不限于)以下反应物：
比氨气更耐储存的高能燃料：
胺取代的氨
二-甲基-胺 (CH3)2NH
三-甲基-胺 (CH3)3N
单-乙基-胺 (C2H5)NH2
二-乙基-胺 (C2H5)2NH)
更容易储存的其它类别：
甲醇，CH3OH
乙醇，EtOH CH3CH2OH
甲酸，HCOOH
柴油
汽油
醇
包括固体燃料的浆料
二氧化三碳，C3O2，CO＝C＝CO，
甲醛HCHO，
多聚甲醛，＝更好的HCHO)n，能升华成甲醛气体。(同时可能是电池冷却剂)。
较不耐储存的燃料：
一氧化碳
氢气
氨气NH3
含有氮的高能燃料：
硝基甲烷，CH3NO2
具有甲醇的硝基甲烷“部分”＝航空模型“预热塞”发动机燃料
具有广泛燃料/空气比的高能量燃料：
环氧基-乙烷，＝环氧乙烷或乙烯-氧化物CH2-CH2O
1,3-环氧基-丙烷＝氧杂环丁烷和三-亚甲基-氧化物＝1,3-亚甲基-氧化物
CH2-(CH2)-CH2O
环氧基-丙烷 CH2-(CH2)-CH2O
乙炔，C2H2
丁二炔＝1,3-丁二炔
1,3-丁二烯 CH2＝CH-CH＝CH2，
较少外来高能量燃料：
二-乙基-醚或外科用醚
丙酮＝二-甲基-酮
较少外来，挥发性燃料：
环-丙烷
环-丁烷
烃，例如甲烷、丙烷、丁烷、戊烷等
其它可储存燃料：
甲酸甲酯HCOO-C2H5
甲酰胺HCO-NH2
N,N,-二-甲基-甲酰胺 HCO-N-(CH3)2
乙二胺 H2N-CH2-CH2-NH2
乙二醇
1,4-二噁烷＝乙二醇的双分子环状醚
三聚乙醛 (CH3CHO)3乙醛的环状三聚物
强氧化剂：
四-硝基-甲烷，C(NO2)4...不自发分解...仅在单元的反应表面上传送呈气相的两种独立蒸气
过氧化氢H2O2
低引发能混合物：
具有氧的环丙烷＝手术麻醉，微焦耳引发剂
自燃：
UDMH＝不对称二甲基肼＝1,1-二甲基肼(CH3)2NNH2
UDMH为自燃的，一般具有N2O4并且是极强致癌物质
MMH 单甲基肼(CH3)HNNH2 自燃的，具有任何氧化剂，例如N2O4
腐蚀性毒性高能单一推进剂：
肼＝用催化剂容易降解的H2NNH2(一般Pt或Pd或氧化钼
水合肼
尽管已关于具体实例和子***描述了多个实施例，但所属领域普通技术人员将显而易知本文披露的概念不限于这些具体实例或子***，而是仍扩展到其它实施例。这些概念的范围内包括如随附权利要求书中所规定的全部这些其它实施例。

Claims (15)

1.一种用于将化学能转换成电的能量转换装置(400)，其包含：
第一电极(410)；
形成于所述第一电极(410)上的衬底；
形成于所述衬底上的多孔性半导体层(415)，所述多孔性半导体层具有形成半导体网状结构的纳米工程结构；
在接触燃料和氧化剂的所述多孔性半导体层(415)的至少一部分上的多孔性催化剂材料(420)，其中至少一些所述多孔性催化剂材料进入所述多孔性半导体层的所述纳米工程结构以形成交织区，所述多孔性催化剂材料(420)和所述多孔性半导体层(415)形成固态结；
在所述多孔性催化剂材料(420)上方形成的第二电极(425)，其中来自所述多孔性催化剂材料(420)的电子以弹道形式注入到所述多孔性半导体层(415)中，其中在所述燃料、所述多孔性催化剂材料和所述多孔性半导体层之间发生化学反应期间在所述第一电极(410)和所述第二电极(425)之间形成电势，来自所述多孔性催化剂材料的所述电子附接至所述第一电极(410)，且所述电子在返回到所述多孔性催化剂材料(420)之前在外部电路中从所述第一电极(410)向所述第二电极(425)行进；以及
从固态发电机去除热的散热片，所述散热片的散热片温度高于环境温度。
2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述衬底经图案化形成三维表面，由此提供用于化学反应的增加的表面积。
3.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述多孔性半导体层(415)经图案化形成纳米线。
4.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述衬底经纹理化形成峰和谷。
5.根据权利要求1所述的能量转换装置，其进一步包含在所述衬底和所述多孔性半导体层之间的无孔半导体层。
6.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述衬底本身为二维和平面的。
7.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述衬底本身为三维的并且具有内部和外部表面。
8.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述衬底为以下中的一种：刚性的衬底、柔性的衬底和可折叠的衬底。
9.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述固态结为以下中的一种：肖特基二极管(Schottky diode)和p-n结。
10.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述固态结为导体-介电质、介电质-介电质、导体-介电质-导体或介电质-导体-介电质结。
11.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述多孔性半导体层(415)包含半导体材料，所述半导体材料选自包括以下的材料群组：结晶、多晶或多孔性TiO2、SrTiO3、BaTiO3、Srx-Bay-TiOz、碳化硼、LiNiO、Al2O3、ZnO以及LaSrVO3的材料群组，以及包含PTCDA或3,4,9,10-二萘嵌苯四甲酸二酐的有机半导体。
12.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述多孔性催化剂材料(420)包含纳米级导体簇，所述纳米级导体簇在所述多孔性半导体层(415)具有不连续多孔性覆盖、多个纳米级簇、或包含催化剂的纳米级簇。
13.根据权利要求1所述的能量转换***，其包含电串联、电并联或串联和并联的组合连接的一或多个能量转换装置(400)。
14.根据权利要求1所述的能量转换***，其包含：热串联、热并联或串联和并联的组合连接的一或多个能量转换装置(400)。
15.根据权利要求1所述的能量转换***，其包含在一或多个能量转换装置(400)的活性表面上并且尺寸大于隧穿尺寸的汇流条。
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