CN103354240A - 一种复合式纳米发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合式纳米发电机，包括压电纳米发电机和热电发电机，其中，所述压电纳米发电机，用于将机械能转化为电能；所述热电发电机，用于将伴随机械能产生的热能转化为电能；所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方或下方，与所述压电纳米发电机之间形成上下堆叠结构。相应地，本发明还提供一种复合式纳米发电机的制备方法。在外界施加的机械能使压电纳米发电机中的压电层产生形变将机械能转化为电能的同时，伴随机械能产生的热能将被热电发电机吸收后转化为电能，因此，本发明提供的复合式纳米发电机集成了压电纳米发电机和热电发电机，可以同时收集环境中的机械能和热能。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量转化器件领域，特别涉及一种可以同时将机械能和热能转化为电能的复合式纳米发电机。
背景技术
我们的生活中和环境中蕴藏着丰富的清洁二次能源，诸如太阳能、风能、热能等等。对这些二次能源的回收利用可以有效的解决能源危机和温室效应引发的一系列问题，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。
近年来，人们研发出基于氧化锌纳米线的压电效应的纳米发电机，可以用于收集环境中各种来源的机械能，并将其转化为电能，可以用于驱动小型电子设备。另一方面，纳米发电机的一个新的发展趋势是复合式纳米发电机，可以集成各种能量收集的器件，比如压电纳米发电机、太阳能电池、生物燃料电池等等，在纳米发电机领域，人们已经研发了以上几种发电器件之间的集成器件，可以同时收集机械能、光能和生物能源。而在实际生活环境中，机械能的产生往往同时也伴随着由于震动和摩擦而耗散的热能，但是，到目前为止，还没有能够将机械能和热能转化为电能的纳米发电机的相关报道和研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合式纳米发电机，可以同时收集环境中的机械能和热能，形成一种新型高效的能量转化集成器件。
为了实现上述目的，本发明提供一种复合式纳米发电机，包括：电纳米发电机和热电发电机，其中，
所述压电纳米发电机，是基于压电效应的压电纳米发电机，用于将机械能转化为电能；
所述热电发电机，是基于温差电动势效应的热电发电机，用于将热能转化为电能;
所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方或下方，与所述压电纳米发电机之间形成上下堆叠结构。
优选地，所述压电纳米发电机包括：
底电极；
所述底电极上的压电纳米结构层；
所述压电纳米结构层上的绝缘层；
所述绝缘层上的顶电极。
优选地，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的下方，包括：
所述压电纳米发电机的底电极下的上导热元件；
所述上导热元件下的上绝缘层；
所述上绝缘层下的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层下的下绝缘层；
所述下绝缘层下的下导热元件。
优选地，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的下方，包括：
所述压电纳米发电机的底电极下的上绝缘层，其中，所述底电极为所述热电发电机的上导热元件；
所述上绝缘层下的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层下的下绝缘层；
所述下绝缘层下的下导热元件。
优选地，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方，包括：
所述压电纳米发电机的顶电极上的下导热元件；
所述下导热元件上的下绝缘层；
所述下绝缘层上的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层上的上绝缘层；
所述上绝缘层上的上导热元件。
优选地，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方，包括：
所述压电纳米发电机的顶电极上的下绝缘层，其中，所述顶电极为所述热电发电机的下导热元件；
所述下绝缘层上的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层上的上绝缘层；
所述上绝缘层上的上导热元件。
优选地，所述上导热元件和/或下导热元件为金属导热元件。
优选地，所述n型热电元件和p型热电元件分别为Bi2Te27Se03和Bi06Sb14Te3。
优选地，所述热电发电机包括6对n型热电元件和p型热电元件。
优选地，所述压电纳米发电机的压电纳米结构层采用纤锌矿结构材料纳米线阵列。
优选地，所述压电纳米发电机的底电极和/或顶电极采用柔性电极。
相应地，本发明还提供一种复合式纳米发电机的制备方法，包括步骤：
提供压电纳米发电机，所述压电纳米发电机的底电极为导热材料；提供下导热元件；
在所述底电极下表面制备上绝缘层；在所述下导热元件的一个表面制备下绝缘层；
制备热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
将所述热电层固定在所述上绝缘层和下绝缘层之间。
与现有技术相比，本发明提供的复合式纳米发电机具有下列优点：
本发明提供的复合式纳米发电机，包括压电纳米发电机和热电发电机，其中，所述压电纳米发电机，是基于压电效应的压电纳米发电机，用于将机械能转化为电能；所述热电发电机，是基于温差电动势效应的热电发电机，用于将热能转化为电能。在外界施加的机械能使压电纳米发电机中的压电层产生形变将机械能转化为电能的同时，伴随机械能产生的热能将被热电发电机吸收后转化为电能，因此，本发明提供的复合式纳米发电机集成了压电纳米发电机和热电发电机，可以同时收集环境中的机械能和热能，是一种新型高效的能量转化集成器件。本发明的复合式纳米发电机一方面可以应用于能量收集方面，特别是应用在既有机械振动同时又有热效应的部件上，例如汽车发动机表面或者人体关节部位机械能或热能等能量的收集；另一个方面是将收集的机械能或热能电能用于为小型电子设备的电池充电，也可以用于直接驱动功耗较小的电子设备，如计算器、电子手表、发光二极管等等。
本发明的复合式纳米发电机中，压电纳米发电机的底电极采用柔性材料，可以将本发明的复合式纳米发电机应用在柔性电子器件领域中。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1和图2为本发明的复合式纳米发电机实施例一的结构示意图；
图3为复合式纳米发电机中热电发电机的发电原理示意图；
图4和图5为本发明的复合式纳米发电机实施例二的结构示意图；
图6为复合式纳米发电机中压电纳米发电机的输出电流（a）和输出电压（b）；
图7为复合式纳米发电机中热电发电机的输出电流（a）和输出电压（b）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
在实际生活环境中，机械能的产生往往同时也伴随着由于震动和摩擦而耗散的热能，但是，到目前为止，还没有能够将机械能和热能转化为电能的纳米发电机的相关报道和研究。本发明提供一种将压电纳米发电机和热电发电机结合的复合式纳米发电机，机械能使压电纳米发电机产生电能，热能被热电发电机吸收产生电能。本发明的复合式纳米发电机能够同时将机械能和热能转化为电能，是一种高效的能量转化器件。
为使本发明的技术方案更清楚，下面结合附图详细介绍本发明的实施例。其中，所有附图中热电发电机中n型热电元件在图中用N表示，p型热电元件在图中用P表示。
实施例一：
本实施例的复合式纳米发电机包括压电纳米发电机和热电发电机，热电发电机110设置在压电纳米发电机100的下方，与压电纳米发电机之间形成上下堆叠结构，参见图1，压电纳米发电机100包括底电极10、底电极10上的压电纳米结构层11、压电纳米结构层11上的绝缘层12、绝缘层12上的顶电极13；热电发电机110包括所述压电纳米发电机100的底电极10下的上导热元件14、上导热元件14下的上绝缘层15、所述上绝缘层下的热电层、热电层下的下绝缘层17、下绝缘层17下的下导热元件18。其中，所述热电层包括交替排列的n型热电元件161和p型热电元件162，多个n型热电元件161和p型热电元件162之间通过导线163实现交替串联的电连接，如图1中所示，具体为相邻n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接，使所有n型热电元件和p型热电元件形成串联电连接，也就是在热电层中，n型热电元件与p型热电元件在热学上是并联排列，在电学上是交替串联结构。
本实施例中，也可以将热电发电机设置在压电纳米发电机的上方，参见图2，压电纳米发电机101的结构与图1中相同，热电发电机111的结构与图1中相同，复合式纳米发电机中，热电发电机包括：压电纳米发电机101的顶电极131上的下导热元件181、下导热元件181上的下绝缘层171、下绝缘层171上的热电层、热电层上的上绝缘层151、上绝缘层151上的上导热元件141。其中，所述热电层包括交替排列的n型热电元件164和p型热电元件165，多个n型热电元件164和p型热电元件165之间通过导线166实现交替串联的电连接，如图2中所示，具体为相邻n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接，也就是在热电层中，n型热电元件与p型热电元件在热学上是并联排列，在电学上是交替串联结构。
对于压电纳米发电机的部分，是基于压电效应的压电纳米发电机，其工作原理是基于压电纳米结构层的压电效应。具体的，当压电纳米发电机被施以压缩应力（即机械能的作用）时，压电纳米结构层的内部会产生压电电势差，而这个电势差进而会驱动外电路的电子从顶电极流向底电极，直至电极上累积电子与压电电势差达到平衡为止；而当应力卸载之后，压电纳米结构层内部的压电电势差消失，这样底电极上累积的电子就会从外电路流回顶电极，在这样周期性的应力加载和卸载的过程中，就会形成一个周期性的输出电流和输出电压。
压电纳米发电机中，压电纳米结构层可以为具有压电性质的纤锌矿结构材料的纳米线、纳米薄膜等纳米结构，例如ZnO、GaN等的纳米线阵列；底电极和顶电极可以为导电玻璃、硅钢片、金属片或金属薄膜等材料，优选为柔性底电极和顶电极，如铝、铜、银、锡等材料；绝缘层可以采用有机物绝缘材料，这里选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的绝缘层。
对于热电发电机，是基于温差电动势效应的热电发电机，其工作原理见图3，以n型热电元件和p型热电元件在电学上的串联和热学上的并联来实现利用温差电动势工作的热电发电机。具体连接方式为，相邻n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接。例如图3中，相邻n型热电元件N1与p型热电元件P2的底端电连接，n型热电元件N1的顶端与相邻p型热电元件P1的顶端电连接，n型热电元件N1的底端与相邻p型热电元件P2的底端电连接，p型热电元件P2的顶端与相邻的n型热电元件N2的顶端电连接，P型热电元件P2的底端与相邻n型热电元件N1的底端电连接。n型热电元件与p型热电元件在热学上是并联排列，在电学上是交替串联结构。当热电发电机的下导热元件14和上导热元件18之间有一定的温度差时（即对于上导热元件和下导热元件，分别与热源和冷源接触），n型热电元件中的电子与p型热电元件中的空穴会沿着温度梯度的方向定向流动。这样，当n型热电元件与p型热电元件通过导线交替串联，即按照图3中所示的连接方法，会在整个热电发电机回路中形成定向流动的电流，也即在热电发电机热电层的两端形成一个直流输出电压。
热电发电机中，n型热电元件和p型热电元件可以选择Bi2Te3、PbTe、SiGe、YCo4Sb12、BaCo4Sb12等热电材料，本发明中，n型热电元件可以优选为Bi2Te2.7Se0.3，p型热电元件可以优选为Bi0.6Sb1.4Te3，n型热电元件与p型热电元件之间通过常用导线实现电连接，例如铜导线等；上导热元件和下导热元件可以为导热性能优良的材料，例如Cu等金属材料的薄膜、金属片等；上绝缘层和下绝缘层可以采用有机物绝缘材料，这里可以选择聚对二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘层。
本实施例中的复合式纳米发电机将压电纳米发电机和热电发电机在垂直方向上叠加在一起，实现了两种器件的集成，可以同时收集环境中的机械能和多数时候伴随机械能而产生的热能。
实施例二：
对于采用导热性能良好材料的底电极的压电纳米发电机，可以在压电纳米发电机的底电极下设置热电发电机，热电发电机与压电纳米发电机之间形成上下堆叠结构，压电纳米发电机的底电极即是热电发电机的上导热元件。本实施例的复合式纳米发电机参见图4，包括压电纳米发电机200和设置在压电纳米发电机200下的热电发电机210。本实施例中，压电纳米发电机200和热电发电机210的结构以及各部分采用的材料与实施例一中基本相同，区别在于，压电纳米发电机200的底电极20同时也是热电发电机210的上导热材料，在压电纳米发电机200的底电极20下依次为上绝缘层25、包括交替串联的N型热电元件261和P型热电元件262的热电层、下绝缘层27和下导热元件28。其中，所述热电层包括交替排列的n型热电元件261和p型热电元件262，多个n型热电元件261和p型热电元件262之间通过导线263实现交替串联的电连接，如图4中所示，具体为相邻n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接，使所有n型热电元件和p型热电元件形成串联电连接，也就是在热电层中，n型热电元件与p型热电元件在热学上是并联排列，在电学上是交替串联结构。
本实施例中，也可以将热电发电机设置在压电纳米发电机的上方，参见图5，压电纳米发电机201的结构与图4中相同，热电发电机211的结构与图4中相同，复合式纳米发电机中，热电发电机包括：压电纳米发电机201的顶电极131上的下绝缘层271、下绝缘层271上的热电层、热电层上的上绝缘层251、上绝缘层251上的上导热元件241。其中，所述热电层包括交替排列的n型热电元件264和p型热电元件265，多个n型热电元件264和p型热电元件265之间通过导线266实现交替串联的电连接，如图5中所示，具体为相邻n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接，也就是在热电层中，n型热电元件与p型热电元件在热学上是并联排列，在电学上是交替串联结构。
本发明的复合式纳米发电机中，压电纳米发电机的压电纳米结构层优选为纤锌矿结构材料的纳米线阵列，优选为ZnO纳米线阵列，参见图4，在底电极20上制备ZnO纳米线时，需要先在底电极上制备ZnO籽晶层211，然后采用水热法在制备有ZnO籽晶层的底电极表面生长基本垂直与底电极20的ZnO纳米线阵列212，由ZnO籽晶层211和ZnO纳米线阵列212共同形成压电纳米发电机的压电纳米结构层。
本实施例中压电纳米发电机的底电极有三个作用：1）作为生长氧化锌纳米线阵列的柔性基底；2）作为压电纳米发电机的底电极；3）作为热电发电机的导热元件。考虑到以上三个作用以及价格因素，优选金属铝为压电纳米发电机的底电极。
相应地，本发明还提供一种复合式纳米发电机的制备方法，包括步骤：
提供压电纳米发电机，所述压电纳米发电机的底电极为导热材料；提供下导热元件；
在所述底电极下表面制备上绝缘层；在所述下导热元件的一个表面制备下绝缘层；
制备热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
将所述热电层固定在所述上绝缘层和下绝缘层之间。
下面以压电纳米发电机的压电纳米结构层采用ZnO纳米线阵列、热电发电机210的热电层采用n型的Bi2Te2.7Se0.3和p型的Bi0.6Sb1.4Te3材料为例，具体介绍本发明的复合式纳米发电机的制备方法，具体步骤如下：
首先，提供压电纳米发电机，所述压电纳米发电机的底电极为导热材料，具体为：
1）在柔性的铝基底上利用磁控溅射方法制备一层氧化锌籽晶层，铝基底为压电纳米发电机的底电极；
2）利用水热法在镀有氧化锌籽晶层的铝基底上生长氧化锌纳米线阵列，反应溶液为0.05mol/L的硝酸锌和六亚甲基四胺（HMTA）的混合溶液，反应条件为恒温85℃以及16个小时；
3）利用旋涂法在氧化锌纳米线的表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的绝缘层（厚度为2微米）；
4）利用磁控溅射在上述制备结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)绝缘层上制备一层铝电极，作为压电纳米发电机的顶电极，并用铜导线分别从顶电极和铝基底引出，至此，压电纳米发电机的制备完成。这样的压电纳米发电机具有结实、耐用的优点。
提供下导热元件，在所述底电极下表面制备上绝缘层，在所述下导热元件的一个表面制备下绝缘层，具体为：
在压电纳米发电机的铝基底（底电极）下表面和另一片铝基底（下导热元件）的上表面分别旋涂一层聚对二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘层。
制备热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接，具体为：
利用高能球磨方法将Bi,Sb,Te和Se等单质粉末按照化学成分比例混合，分别制备n型的Bi2Te2.7Se0.3和p型的Bi0.6Sb1.4Te3材料，球磨工艺为1200转/分持续3小时，经过球磨之后粉末的晶粒尺寸降低至亚微米级别，然后利用放电等离子烧结（SPS）工艺制备具有高强度和六面体形状的n型Bi2Te2.7Se0.3和p型Bi0.6Sb1.4Te3热电元件，其尺寸均为2mm×2mm×1mm；将6对烧结过的n型和p型热电元件用铜导线串联之后形成热电层。其中，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接。n型和p型热电元件的顶端为热电层的顶端，n型和p型热电元件的底端为热电层的底端。
最后，将所述热电层固定在所述上绝缘层和下绝缘层之间，具体为：
将6对烧结过的n型和p型热电元件形成的热电层固定在上绝缘层和下绝缘层之间，使热电层的顶端与上绝缘层贴合，热电层的底端与下绝缘层贴合。这样，在两层铝基底之间形成6对p型-n型材料对，并将热电材料的两端分别用铜导线连接（按照图3中的连接方式），并引出热电层的两端构成热电发电机的两极。
对上述制备的复合式纳米发电机的输出性能进行了测试。对于压电纳米发电机，在垂直方向上通过直线电机在复合式纳米发电机上施加周期性的正向压缩应力，其频率为2.5Hz。随着应力周期性的加载和卸载过程，压电纳米发电机的两端会产生交流的输出电流和输出电压，由Stanford ResearchSystem生产的SR560和SR570进行测量，结果分别见图6中（a）和（b），其中输出电流为200纳安，输出电压为3伏特。对于热电发电机，发电机的两端导热元件分别与热源和冷源充分接触，使发电机两端保持3℃的温度差（温度由（株)太阳机电公司的TK-4002设备测得），并用与压电纳米发电机同样的仪器测量输出电流和输出电压，结果分别见图7中（a）和（b），输出电流为5微安，输出电压为0.45毫伏。以上实验结果表明，复合式纳米发电机可以将应力等机械能转变为电能，也可以将热能转变为电能。
本实施例使用高能球磨工艺和然后利用放电等离子烧结（SPS）工艺制备具有高强度的n型的Bi2Te2.7Se0.3和p型的Bi0.6Sb1.4Te3材料热电元件，并将这两种热电元件的电学上的串联和热学上的并联来实现利用温差电动势工作的热电发电机，而两片表面涂有绝缘层的铝箔作为导热元件，分别与热源和冷源接触，在热电发电机的上下表面形成温度差，并通过温差电动势效应产生电流。在实际温差只有3℃的情况下即可产生5微安的输出电流和0.45毫伏的输出电压。
本发明所述的压电纳米发电机主要由氧化锌纳米线阵列构成。在本发明中，氧化锌纳米线阵列通过水热法生长在柔性的铝基底上，而这个铝基底同时可以作为热电发电机的冷源导热元件使用。通过这种方法制备的压电纳米发电机可以产生3伏特的输出电压和200纳安的输出电流，并且具有结实耐用的优点。
上述实施例中热电发电机设置在压电纳米发电机上方或下方的实施方式，只是表明本发明的技术方案，本发明的复合式纳米发电机中热电发电机和压电纳米发电机之间的位置关系不限于上述实施例，在实际中也可以将上述实施例中复合式纳米发电机沿着水平轴旋转90度后形成热电发电机与压电纳米发电机在水平方向并排排列的结构。热电发电机中，热电层的n型热电元件和p型热电元件的对数不受上述实施例中6对的限制，可以选择更多或更少对。
需要说明的是，本发明的复合式纳米发电机中，各部分的材料包括但不限于上述实施例中提到的材料，能够实现相同功能的材料都可以应用在本发明中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种复合式纳米发电机，其特征在于，包括：压电纳米发电机和热电发电机，其中，
所述压电纳米发电机，是基于压电效应的压电纳米发电机，用于将机械能转化为电能；
所述热电发电机，是基于温差电动势效应的热电发电机，用于将热能转化为电能;
所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方或下方，与所述压电纳米发电机之间形成上下堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机包括：
底电极；
所述底电极上的压电纳米结构层；
所述压电纳米结构层上的绝缘层；
所述绝缘层上的顶电极。
3.根据权利要求2所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的下方，包括：
所述压电纳米发电机的底电极下的上导热元件；
所述上导热元件下的上绝缘层；
所述上绝缘层下的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层下的下绝缘层；
所述下绝缘层下的下导热元件。
4.根据权利要求2所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的下方，包括：
所述压电纳米发电机的底电极下的上绝缘层，其中，所述底电极为所述热电发电机的上导热元件；
所述上绝缘层下的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层下的下绝缘层；
所述下绝缘层下的下导热元件。
5.根据权利要求2所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方，包括：
所述压电纳米发电机的顶电极上的下导热元件；
所述下导热元件上的下绝缘层；
所述下绝缘层上的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层上的上绝缘层；
所述上绝缘层上的上导热元件。
6.根据权利要求2所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述热电发电机设置在所述压电纳米发电机的上方，包括：
所述压电纳米发电机的顶电极上的下绝缘层，其中，所述顶电极为所述热电发电机的下导热元件；
所述下绝缘层上的热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
所述热电层上的上绝缘层；
所述上绝缘层上的上导热元件。
7.根据权利要求3-6任一项所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述上导热元件和/或下导热元件为金属导热元件。
8.根据权利要求3-6任一项所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述n型热电元件和p型热电元件分别为Bi2Te2.7Se0.3和Bi0.6Sb1.4Te3。
9.根据权利要求3-6任一项所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述热电发电机包括6对n型热电元件和p型热电元件。
10.根据权利要求2-6任一项所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机的压电纳米结构层采用纤锌矿结构材料纳米线阵列。
11.根据权利要求2-6任一项所述的复合式纳米发电机，其特征在于，所述压电纳米发电机的底电极和/或顶电极采用柔性电极。
12.一种复合式纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供压电纳米发电机，所述压电纳米发电机的底电极为导热材料；提供下导热元件；
在所述底电极下表面制备上绝缘层；在所述下导热元件的一个表面制备下绝缘层；
制备热电层，所述热电层包括交替排列的n型热电元件和p型热电元件，相邻所述n型热电元件与p型热电元件的顶端或底端电连接，其中，每个n型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻p型热电元件电连接，每个p型热电元件的顶端或底端仅与一个相邻的n型热电元件电连接；
将所述热电层固定在所述上绝缘层和下绝缘层之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING INSTITUTE OF NANOENERGY AND NANOSYSTEMS Free format text: FORMER OWNER: STATE NANOMETER SCIENCE CENTER Effective date: 20150302 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100190 HAIDIAN, BEIJING TO: 100083 HAIDIAN, BEIJING |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150302 Address after: 100083 Haidian District, Xueyuan Road, No. 30, building C, block Applicant after: BEIJING INSTITUTE OF NANOENERGY AND NANOSYSTEMS Address before: 100190 Beijing, Zhongguancun, north of a No. 11, No. Applicant before: State Nanometer Science Center |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131016 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |