(57)【要約】  システムと方法は熱からの電力を発生するために動作可能である。典型的なダイレクト熱電変換器実施形態は、第1の再結合率を有する少なくとも1つの第1の再結合材料と、第1の再結合材料に隣接し、第2の再結合率を有し、第2の再結合率は第1の再結合率とは異なる第2の再結合材料と、第2の再結合材料に隣接し、実質的に第1の再結合率と同じ第3の再結合率を有する第3の再結合材料と、を含む。熱の適用は、少なくとも第1の再結合材料と第2の再結合材料の間を移動する第1の荷電粒子を発生し、少なくとも第3の再結合材料及び第2の再結合材料の間を移動する第2の荷電粒子を発生する。第1の荷電粒子の移動及び第2の荷電粒子の移動は、電流を発生する。【選択図】図２
2013541200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の再結合率を有する第1の再結合材料と、
前記第1の再結合材料に隣接し、第2の再結合率を有し、前記第2の再結合率は、前記第1の再結合率とは異なる第2の再結合材料と、
前記第2の再結合材料に隣接し、実質的に前記第1の再結合率と同じ、第3の再結合率を有する第3の再結合材料と、を含み、
熱の適用は、前記第1の再結合材料と前記第2の再結合材料の間を移動する少なくとも第1の荷電粒子を発生し、
前記熱の適用は、前記第3の再結合材料及び前記第2の再結合材料の間を移動する少なくとも第2の荷電粒子を発生し、前記第2の荷電粒子は前記第1の荷電粒子からの極性において逆であり、
前記第1の荷電粒子の前記移動及び前記第2の荷電粒子の前記移動は、電流を発生することを特徴とするダイレクト熱電変換器。
【請求項２】
前記第1の再結合材料及び前記第3の再結合材料は低再結合材料であり、前記第2の再結合材料は高再結合材料であることを特徴とする請求項1に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項３】
前記第1の再結合材料及び前記第2の再結合材料は、第1のヘテロ接合で結合し、前記第2の再結合材料及び前記第3の再結合材料は、第2のヘテロ接合で結合し、
前記第1の再結合材料は、
前記第1のヘテロ接合に隣接した、負にドープした半導体層と、
前記第1の再結合材料の前記負にドープした半導体層の反対側に隣接した、低再結合半導体層と、を含み、
前記第2の再結合材料は、
前記第1のヘテロ接合に隣接した負にドープした半導体層と、
前記第2のヘテロ接合に隣接した正にドープした半導体層と、
前記第2の再結合材料の前記負にドープした半導体層と、前記第2の再結合材料の前記正にドープした半導体層との間の高再結合半導体層と、を含み、
前記第3の再結合材料は、
前記第2のヘテロ接合に隣接した正にドープした半導体層と、
前記第3の再結合材料の前記正にドープした半導体層の反対側に隣接した、低再結合半導体材料と、を含み、
熱を受け取ることに応じて、電子は、少なくとも前記第1の再結合材料の前記低再結合半導体材料層の中で発生され、前記電子は、前記第1の及び前記第2の再結合材料の前記負にドープした半導体層を介して移動し、
熱を受け取ることに応じて、ホールは、少なくとも前記第3の再結合材料の前記低再結合半導体材料層の中で発生され、前記ホールは前記第3及び前記第2の再結合材料の正にドープした半導体層を介して移動し、
前記電子の前記移動及び前記ホールの前記移動は、前記電流を発生することを特徴とする請求項2に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項４】
前記第1のヘテロ接合が、前記第1の再結合材料の前記負にドープされた半導体層と、前記第2の再結合材料の前記負にドープされた半導体層と、の間に集中させられることを特徴とする請求項3に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項５】
前記第2のヘテロ接合が、前記第2の再結合材料の前記正にドープされた半導体層と、前記第3の再結合材料の前記正にドープされた半導体層と、の間に集中させられることを特徴とする請求項3に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項６】
前記第1の再結合材料の前記負にドープされた半導体層の厚さは、前記第2の再結合材料の前記負にドープされた半導体層の厚さとは異なることを特徴とする請求項3に記載ののダイレクト熱電変換器。
【請求項７】
前記第1の再結合材料及び前記第3の再結合材料は、実質的に50%Alと共に、AlGaAsを含み、前記第2の再結合材料は、実質的に30%Alと共に、AlGaAsを含むことを特徴とする請求項3に記載ののダイレクト熱電変換器。
【請求項８】
前記第1の再結合材料は、
前記第2の再結合材料に隣接して接する第1のカチオン膜と、
前記第1のカチオン膜に隣接して接する第1のアニオン膜と、を含み、
前記第2の再結合材料は、少なくとも水を含み、
前記第3の再結合材料は、
前記第2の再結合材料に隣接して接する第2のアニオン膜と、
前記第2のカチオン膜に隣接して接する第2のカチオン膜と、を含み、
熱を受け取ることに応じて、水酸化物イオンは発生され、前記第1の再結合材料から前記第2の再結合材料へ移動し、
熱を受け取ることに応じて、水素イオンは発生され、前記第3の再結合材料から前記第2の再結合材料へ移動し、
前記水酸化物イオンの前記移動及び前記水素イオンの前記移動は、前記電流を発生することを特徴とする請求項2に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項９】
前記第1の再結合材料及び前記第3の再結合材料は高再結合率を有する高再結合半導体材料であり、前記第2の再結合材料は低再結合率を有する低再結合半導体材料であることを特徴とする請求項1に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項１０】
前記第1の再結合半導体材料及び前記第2の再結合半導体材料は、第1のヘテロ接合で結合し、前記第1のヘテロ接合に隣接した前記第1の再結合半導体材料の一部分は、正にドープされ、前記第1のヘテロ接合に隣接した前記第2の再結合半導体材料の一部分は、正にドープされ、
前記第3の再結合半導体材料及び前記第2の再結合半導体材料は、第2のヘテロ接合で結合し、前記第2のヘテロ接合に隣接した前記第3の再結合半導体材料の一部分は、負にドープされ、前記第2のヘテロ接合に隣接した前記第2の再結合半導体材料の一部分は、負にドープされることを特徴とする請求項9に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項１１】
前記第1の再結合材料に隣接し、実質的に前記第2の再結合率と同じ第4の再結合率を有する第4の再結合材料と、
前記第4の再結合材料に隣接し、実質的に前記第1の再結合率と同じ第5の再結合率を有する、第5の再結合材料と、をさらに含み、
熱の適用は、前記第5の再結合材料と前記第4の再結合材料の間を移動する少なくとも第1の荷電粒子を発生し、
前記熱の適用は、前記第4の再結合材料と前記第1の再結合材料の間を移動する少なくとも第2の荷電粒子を発生することを特徴とする請求項1に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項１２】
第1の再結合率を有する少なくとも1つの第1の再結合材料と、第2の再結合率を有し、前記第1の再結合材料に隣接する第2の再結合材料と、前記第2の再結合材料に隣接し、第3の再結合率を有する第3の再結合材料と、を含み、前記第2の再結合率は前記第1の再結合率とは異なり、前記第3の再結合率は実質的に前記第1の再結合率と同じである、ダイレクト熱電変換器に熱を印加し、
熱の適用は、前記第1の再結合材料と前記第2の再結合材料の間を移動する、少なくとも負の荷電粒子を発生し、前記熱の適用は、前記第3の再結合材料と前記第2の再結合材料との間を移動する少なくとも正の荷電粒子を発生し、前記正電荷キャリアーの前記移動及び前記陰電荷キャリアーの前記移動は、前記ダイレクト熱電変換器から前記負荷に供給された前記電流を発生して、負荷に前記ダイレクト熱電変換器から電流を供給する、
ことを特徴とするダイレクト熱電変換器を使用して電流を発生する方法。
【請求項１３】
前記第1の再結合材料、前記第2の再結合材料、及び、前記第3の再結合材料は、半導体材料であり、
前記第1の再結合材料及び前記第2の再結合材料は、第1のヘテロ接合で結合し、前記第2の再結合材料及び前記第3の再結合材料は、第2のヘテロ接合で結合し、
各々前記第1のヘテロ接合に隣接した、前記第1の再結合材料の一部分及び前記第2の再結合材料の第1の部分は、負にドープされ、各々前記第2のヘテロ接合に隣接した、前記第3の再結合材料の一部分及び前記第2の再結合材料の第2の部分は、正にドープされ、
前記熱の適用により発生された前記陰電荷キャリアーは電子であり、前記熱の適用により発生された前記正電荷キャリアーはホールである、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記第2の再結合材料は水を含み、
前記第1の再結合材料は、
前記第2の再結合材料に隣接して接する第1のカチオン膜と、
前記第1のカチオン膜に隣接して接する第1のアニオン膜と、を含み、
前記第1の再結合材料は、
前記第2の再結合材料に隣接して接する第2のアニオン膜と、
前記第2のカチオン膜に隣接して接する第2のカチオン膜と、を含み、
前記熱の適用により発生された前記陰電荷キャリアーは水酸化物イオンであり、前記熱の適用により発生された前記正電荷キャリアーは水素イオンである、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項１５】
前記ダイレクト熱電変換器から排出する前記水素イオンを集めること、をさらに含むことを特徴とする請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
第1のヘテロ接合に隣接した負にドープした半導体層と、
前記第1の低再結合材料の前記負にドープした半導体層の反対側で隣接した低再結合半導体材料層と、を含む第1の低再結合材料と、
前記第1のヘテロ接合に隣接した負にドープした半導体層と
第2のヘテロ接合に隣接した正にドープした半導体層と、
前記高再結合材料の前記負にドープした半導体層と、前記高再結合材料の前記正にドープした半導体層との間の高再結合半導体層と、を含む高再結合材料と、
前記第2のヘテロ接合に隣接した負にドープした半導体層と、
前記第2の低再結合材料の前記負にドープした半導体層の、反対側で隣接した低再結合半導体材料と、を含む第2の低再結合材料と、を含み、
熱を受け取ることに応じて、電子は、少なくとも前記第1の低再結合材料の前記低再結合半導体材料層の中で発生され、前記電子は前記負にドープした半導体層を介して移動し、
熱を受け取ることに応じて、ホールは、少なくとも第2の低前記再結合材料の前記低再結合半導体材料層の中で発生され、前記ホールは前記正にドープした半導体層を介して移動し、
前記電子の前記移動及び前記ホールの前記移動は、電流を発生することを特徴とするダイレクト熱電変換器。
【請求項１７】
前記第1の低再結合材料は、前記低再結合半導体材料層に隣接した正ドープ層を、さらに含み、前記正ドープ層は、前記ダイレクト熱電変換器の正端子とのオームタイプの接触を形成することを特徴とする請求項16に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項１８】
前記第2の低再結合材料は、前記低再結合半導体材料層に隣接した負ドープ層を、さらに含み、前記負ドープ層は、前記ダイレクト熱電変換器の負端子とのオームタイプの接触を形成することを特徴とする請求項16に記載のダイレクト熱電変換器。
【請求項１９】
複数の他の低再結合材料層の、代わりに層を成した複数の他の高再結合材料層をさらに含み、前記他の高再結合材料層と、前記他の低再結合材料層と、の前記交互層は、各々ヘテロ接合で結合し、
前記他の高再結合材料層及び前記他の低再結合材料層の各々は、
各ヘテロ接合に隣接した負にドープした半導体層と、
対向した各ヘテロ接合に隣接した正にドープした半導体層と、
前記負にドープした半導体層と前記正にドープした半導体層の間の高再結合半導体層と、を含むことを特徴とする請求項16に記載のダイレクト熱電変換器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
熱は容易に利用可能なエネルギー源である。熱は、大気、流水、太陽又は地熱流体のような周囲の発生源から利用可能である。熱はさらに、蒸気を動力とする発電のような処理、あるいは工業生産、半導体素子の動作、あるいは同様のものの副産物でもある。
【０００２】
しかしながら、利用可能な熱エネルギーを電力に変換するのは難しかった。例えば、熱は、発電機用タービンを駆動する蒸気などのような第2の流体を使用して、電力を生成するために使用される。
【０００３】
しばしば、発電所や工業設備のように、熱は除去されなければならない不用の副産物と見なされる。熱が不用の副産物である場合には、例えば、廃熱は冷却塔などを使用して、大気に放散される。
【０００４】
従って、少なくとも熱効率を改善し、あるいはシステム複雑性を低減するために、利用可能な熱から電力を引き出す技術が必要である。
【発明の概要】
【０００５】
ダイレクト熱電変換のシステム及び方法が開示される。典型的な実施形態は、第1の再結合率を有する少なくとも1つの第1の再結合材料と、第1の再結合材料に隣接し、第1の再結合率とは異なる、第2の再結合率を有する第2の再結合材料と、第2の再結合材料に隣接し、実質的に第1の再結合率と同じの第3の再結合率を有する第3の再結合材料とを含む。熱の適用は、第1の再結合材料と第2の再結合材料の間を移動する少なくとも第1の荷電粒子を生成し、第3の再結合材料と第2の再結合材料の間を移動する少なくとも第2の荷電粒子を生成する。第2の荷電粒子は、第1の荷電粒子からの極性において逆である。第1の荷電粒子の移動及び第2の荷電粒子の移動は、電流を生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
好ましい代替の実施形態は、次の図面に関して詳細に下に記述される。
【０００７】
【図１】図1は、ダイレクト熱電変換器の実施形態のブロック図である。
【０００８】
【図２】図2は、ダイレクト熱電変換器の典型的な半導体実施形態のブロック図である。
【０００９】
【図３】図3は、正ドープ層の中への低再結合材料からの移動性の荷電粒子の移動、及び、その後、高再結合材料の中への正ドープ層から、ホールの付随する移動を概念的に図示する。
【００１０】
【図４】図4は、負ドープ層の中への低再結合材料からの移動性の荷電粒子の移動、及び、その後、高再結合材料の中への負ドープ層から電子の付随する移動を概念的に図示する。
【００１１】
【図５】図5は、ダイレクト熱電変換器の代替半導体実施形態のブロック図である;
【００１２】
【図６】図6は、ダイレクト熱電変換器の代替半導体実施形態のブロック図である;
【００１３】
【図７】図7は、ダイレクト熱電変換器の電気化学の実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図1は、ダイレクト熱電変換器100の実施形態のブロック図である。ダイレクト熱電変換器100の実施形態は熱源102から熱を受け取るように構成され、受け取る熱からの電力を生成するように構成される。電力(電流と電圧)は負荷104に引き渡せる。ある実施形態において、生成された電力は、直流(DC)形式で出力される。電力コンディション機器を含む他の実施形態において、生成された電力は、交流(AC)形式で出力されてよい。
【００１５】
様々な半導体実施形態は、異なる材料の空乏領域を互いに対抗させることにより、ダイオードの「ビルト・インの」電位(VD)を取り込むように構成される。半導体中のキャリアー密度の全体の計算式は式1に明示される。
n*p=C*T3e(-Eg/kb*T)                            (1)
【００１６】
式1において、nとpはそれぞれ電子とホールの濃度であり、Cは材料に特有の定数であり、Tは温度(ケルヴィン)であり、Egはバンドギャップであり、また、kbはボルツマン定数である。環境で、kb*Tはおよそ0.025eVである。
【００１７】
図2は、ダイレクト熱電変換器100の典型的な半導体実施形態200のブロック図である。典型的な半導体実施形態200は、低再結合材料202(交換可能に低再結合半導体材料とも呼ぶ)と高再結合材料204(交換可能に高再結合半導体材料とも呼ぶ)の交互層を含む。低再結合材料202及び高再結合材料204は、ヘテロ接合で結合する。
【００１８】
正ドープ層206aを形成するために、高再結合材料204は、一端で、ヘテロ接合に隣接した正のドーピング物質でドープされてよい。負ドープ層208aを形成するために、高再結合材料204は、他端で、他のヘテロ接合に隣接した負のドーピング物質でドープされてよい。従って、ドープされない高再結合材料204の層は残る(そして、それにより、正ドープ層206a及び負ドープ層208aの反対面にある)。
【００１９】
正ドープ層206bを形成するために、低再結合材料202も、一端で、ヘテロ接合に隣接した正のドーピング物質でドープされてよい。負ドープ層208bを形成するために、低再結合材料202も、他端で、他のヘテロ接合に隣接した負のドーピング物質でドープされてよい。従って、ドープされない低再結合材料202の層が残る。
【００２０】
図2に図示されるように、高再結合材料204及び低再結合材料202は、正ドープ層206a/b又は負ドープ層208a/bのいずれかにより分離される。電子は、負ドープ層208a/bを介してヘテロ接合を横切って移動する。ホールは、正ドープ層206a/bを介してヘテロ接合を横切って移動する。電子及び/又はホール・ドリフト、拡散及び熱電子放出(ヘテロ接合を横断することを示す)は、ここで、用語「移動する」のために、交換可能に使用される。
【００２１】
正端子210及び負端子212は生成されたDCの電力の放出のために付着点(ショットキー接触など)を提供する。代替実施形態の中で、端子210及び212とのオームタイプの接触を提供するために、任意の正ドープ層214及び/又は、任意の負ドープ層216は、低再結合材料202及び/又は高再結合材料204、それぞれの端に含まれてよい。
【００２２】
任意の適切な低再結合材料202及び高再結合材料204も使用されてもよい。任意の適切なドーピング物質タイプ、ドーピング層深さ、及び/又は不純物濃度は様々な実施形態の中で使用されてもよい。いくつかの実施形態において、異なるドーピング材料は使用されてもよい。
【００２３】
低再結合材料202、高再結合材料204、正ドープ層206a/b及び負ドープ層208a/bは、伝導バンドと価電子バンドの間のバンドギャップが、(絶縁体タイプ材料と比較して)相対的に小さい半導体タイプ材料である。高再結合材料204において、電子とホールはより容易に再結合してもよく、あるいは、低再結合材料202において、消滅してもよい。電子とホールが再結合する率が伝導と価電子バンド中の電子とホールの濃度に反比例するので、それぞれ、高再結合材料204と比較して、低再結合材料202は、所定の温度でも相対的により多くの自由電子及びホールを有する。従って、(高再結合材料204と比較して)、低再結合材料202から移動することが可能である相対的に多くの自由電子及びホールを有する。半導体実施形態200に所要の電流及び/又は電圧を達成するために、様々な実施形態が、相対的に高く低再結合利率を有する選択された材料を使用して生成されてよい。
【００２４】
熱エネルギーが、半導体202、204、206a/b、及び/又は、208a/bへ、加えられるか伝達される場合には、移動性の荷電粒子(電子)は、それらの価電子バンドからそれぞれの伝導バンドまで移動することが可能である。一旦電子がその伝導バンドに移動すれば、電子は容易に隣接した原子又は分子の伝導バンドに移動する。電子により生成された、関連するホールは、さらに隣接した原子又は分子に容易に移動する移動性の荷電粒子である。
【００２５】
低再結合材料202の移動性の荷電粒子(電子)は、電子とホールのペアの再結合に抵抗する傾向がある低再結合材料202の固有の性質により、伝導バンドに残る傾向がある。それにより、隣接した原子又は分子の他の伝導バンドに移動することは、低再結合材料202の移動性の荷電粒子にとって比較的容易である。
【００２６】
対照的に、高再結合材料204へ移動した電子及び/又はホールは、再結合する傾向がある。電子移動性の荷電粒子は、電子及び/又はホールの再結合を容易にする傾向がある高再結合材料204の固有の性質により、伝導バンドから価電子バンドの利用可能なホールに落ちる。すなわち、価電子バンドのホールで再結合することは、伝導バンド中の電子にとって比較的容易である。
【００２７】
移動性の荷電粒子(電子及び/又はホール)の移動は、ダイレクト熱電変換器100の半導体実施形態200の、合計の電流量及び付随する電圧を引き起こす(発生する)方法で抑制され、導かれ、誘導され、及び/又は、制限されてよい。その後、端子210及び212で利用可能な電流及び電圧は、負荷104(図1)に提供されてよい。
【００２８】
図3は、低再結合材料202から正ドープ層206a/bへの移動性の荷電粒子(電子とホール)の移動、及び、その後の正ドープ層206a/bから高再結合材料204へのホールの付随する移動を概念的に示す半導体実施形態200の一部分214を示す。図4は、低再結合材料202から負ドープ層208a/bへの、移動性の荷電粒子(電子とホール)の移動、及び、その後の、負ドープ層208a/bから高再結合材料204への電子の付随する移動を概念的に示す半導体実施形態200の一部分216を示す。ホールは、「○」として概念的に図示され、電子は、図3及び4の中の「e」として概念的に図示される。ホールは電子からの極性において逆である。
【００２９】
正ドープ層206a/bは、正ドープ層206a/bの中の比較的多くのホールにつながる不純物を有して作られた半導体層である。図3に概念的に図示されたように、隣接した低再結合材料202からの移動性の荷電粒子(電子及び/又はホール)が、正ドープ層206a/bへ移動する場合には、移動する電子は、それぞれ正ドープ層206a/bのホールにより、はね返されるか又は再結合する傾向がある。しかしながら、低再結合材料202からの移動するホールは、高再結合材料204へ、正ドープ層206a/bを介して移動する傾向がある。低再結合材料202から、正ドープ層206a/bを介し、その後、高再結合材料204へのホールのこの正味の動作は、発生された電流及び電圧につながる。
【００３０】
負ドープ層208a/bは、負ドープ層208a/bの中の比較的多くの電子につながる不純物を有して作られる。図4に概念的に図示されたように、隣接した低再結合材料202からの移動性の荷電粒子(電子及び/又はホール)が、負ドープ層208a/bへ移動する場合には、移動するホールは、それぞれ負ドープ層208a/bの電子により、はね返されるか又は再結合する傾向がある。しかしながら、低再結合材料202からの移動する電子は、高再結合材料204へ負ドープ層208a/bを介して移動する傾向がある。低再結合材料202から、負ドープ層208a/bを介して、そしてその後、高再結合材料204へ、の電子のこの正味の動作は、発生された電流及び電圧につながる。
【００３１】
高再結合材料204へ正ドープ層206a/bを介して移動するホールは、高再結合材料204へ、負ドープ層208a/bを介して移動する電子と結合する傾向がある。電子とホールが、高再結合材料204の中で再結合するとき、追加の移動性の荷電粒子(電子及び/又はホール)は高再結合材料204へ、さらに移動する傾向がある。移動性の荷電粒子の連続的な移動は、高再結合材料204へ向かい、移動性の荷電粒子を発生するために、十分な熱エネルギーが、低再結合材料202において利用可能な限り、持続可能な発生された電流及び電圧につながり、負荷は電流を吸収するために存在する。負荷が存在しない場合には、最大の開回路電圧に到達し、正味の移動を0にする。
【００３２】
図5は、ダイレクト熱電変換器100の代替半導体実施形態500のブロック図である。半導体実施形態500は、正ドープ層206a/b又は負ドープ層208a/bのいずれかにより分離される高再結合材料204及び低再結合材料202の交互層を含む。正端子210及び負端子212は生成されたDCの電力の放出のために付着点を備える。代替実施形態の中で、正ドープ層及び/又は、負ドープ層(不図示)は、半導体の端部の材料再結合タイプに依存して、半導体実施形態500の終端に任意に含まれてよい。
【００３３】
図6は、ダイレクト熱電変換器100の代替半導体実施形態600のブロック図である。半導体実施形態600は、正ドープ層206a/b又は負ドープ層208a/bのいずれかにより分離された、高再結合材料204と複数の低再結合材料202の複数の交互層を含む。正端子210及び負端子212は、発生されたDCの電力の放出のために付着点を備える。代替実施形態の中で、正ドープ層214、及び/又は、負ドープ層216は、半導体の端部の材料再結合タイプに依存して、半導体実施形態200の端に任意に含まれてよい。
【００３４】
高再結合材料204及び低再結合材料202の複数の交互層は、端子210及び212で、高電圧及び/又は電流の発生を可能にする。従って、半導体実施形態500の設計及び構成は、利益のある任意の適切な電圧及び/又は電流を供給するために巧みに計画実行されてよい。一方の材料は、反対の端子で使用される材料に配慮をせずに、端子で使用されてもよい。
【００３５】
いくつかの用途において、さらに利益のある電圧及び/又は電流を供給するために、半導体実施形態200、500、600のグループは平行及び/又は直列配置の中で配列されてよい。このように、いくつかの半導体実施形態200、500、600は、低電圧及び/又は低電流負荷400を調達するために構成されてよい。他の半導体実施形態200、500、600は、高電圧及び/又は高電流負荷を調達するために構成されてよい。いくつかの実施形態は、公共送電網で使用される発電所、あるいは、個人の電力システムを補足するか、さらに交換するために、構成されてよい。廃熱が利用可能な場合には、半導体実施形態200、500、600は省エネルギー、グリーンパワー、及び/又は、熱電併給システムに使用されてもよい。
【００３６】
機能する半導体実施形態600において、3インチのウェーハは、nにドープしたGaAsウェーハ上で0.50AlGaAs(50%Al)及び0.33AlGaAs(30%Al)を交互にして、各々0.25μｍの厚さで、21層(10.5ペア)の合計により、分子線エピタキシーを使用して製作された。各層の上部及び下部10%(25nm)は、各ヘテロ接合の交互にするドーピングにより、1.0E+18でドープされた。端子210及び212は、磨きがかかったウェーハの上部及び下部を被覆し、アニール化されられた。表1は、機能する半導体実施形態600のための測定された試験性能結果を図示する。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
一般に、間接及び直接遷移形半導体材料の間の除算は約41-43%である。それより高いのは間接であり、より低いのは直接である。正確なパーセンテージAL数は、温度と構成によって変化する。典型的な実施形態は、実質的に50%AL及び実質的に30%ALで作られた。AlGaAsを使用して製作された代替実施形態において、50%ALを越えて及び33%AL未満のパーセンテージは用いられてよい。
【００３９】
半導体実施形態200、500、600は、任意の適切な半導体組立てプロセスを使用して、容易に製作されてよい。さらに、任意の適切な半導体もダイレクト熱電変換器100の構成の中で使用されてもよい。半導体の他の制限しない例は、しかし制限されず、Ge、Hg1-xCdxTe、SiGe規則格子、InxGa1-xSb、GaSb、PbS、PbSe又はPbTeを含む。InxGa1-xSb/BiySb1-yを含む間接の狭ギャップ規則格子材料が使用されてもよい。
【００４０】
2つの半導体が両方とも直接の(あるいは間接の)場合さえ、それらにはまだ異なる再結合率があってよい。特に利益のあることのうち、異なる再結合率を示す異なる実効状態密度を備えた狭ギャップ直接遷移形半導体がある。状態値の異なる密度は、出力電流及び/又は電圧を制御するために半導体層の構成の中で選択的に使用されてもよい。特に、硫化鉛(PbS)及びテルル化鉛(PbTe)には、(例えば1.6の因数)周囲温度で、重要な相違がある。一般に、構造でともに成長することが可能である、狭いバンドギャップ及び不均等な再結合率を備えた任意のペアの材料は、半導体実施形態200、500、600の中で使用されてよい。
【００４１】
さらに、又は代わりに、半導体層及び/又は、出力電流及び/又は電圧を制御するために、ドーピング層の厚さが変えられてもよい。いくつかの実施形態において、追加の層は、性能に悪影響を及ぼさずに、ドープした領域内の金属層のような材料間で挿入されてよい。典型的な実施形態において、ヘテロ接合は、ドーピング層208a/bの間に集中させられ、あるいは実質的に、ドーピング層208a/bの間に集中させられる。他の実施形態において、ヘテロ接合は集中させられなくてよい。いくつかの実施形態において、ヘテロ接合はドープした層208a/bの外部に位置してよい。そのような実施形態において、キャリアーの割合は、ドーピングの影響により支配されたままでよい。さらに、そのような実施形態において、ドープした層208a/bのうちの1つは本質的に省略される。
【００４２】
図6は、ダイレクト熱電変換器100の代替半導体実施形態600のブロック図である。半導体実施形態600は、正ドープ層206a/b又は負ドープ層208a/bのいずれかにより分離される高再結合材料204及び低再結合材料202の複数の交互層を含む。正端子210及び負端子212は、発生されたDCの電力の放出のために付着点を備える。代替実施形態の中で、正ドープ層214及び/又は、負ドープ層216は、半導体の端部の材料再結合タイプに依存して、半導体実施形態200の端で、任意に含まれてよい。
【００４３】
図7は、ダイレクト熱電変換器100の電気化学の実施形態700のブロック図である。電気化学の実施形態700は、高再結合材料704及び低再結合材料の複数の交互層を密閉するカバー702を含む。低再結合材料は、互いに接するアニオン膜706及びカチオン膜708により協同して形成される。正端子210及び負端子212は発生されたDCの電力の放出のために付着点を備える。
【００４４】
典型的な実施形態において、高再結合材料704は水である。好ましくは、高再結合材料704の水は純水か、又は実質的に純水である。いくつかの実施形態において、化学添加物は再結合を調節するために加えられてよい。代わりに、又はさらに、他のタイプの高再結合流体又は材料は、高再結合材料704に使用されてもよい。
【００４５】
熱エネルギーが電気化学の実施形態700に加えられる場合には、正電荷キャリアー及び陰電荷キャリアーは、アニオン膜706及びカチオン膜708により協同して形成された低再結合材料に発生される。カチオン膜708から水へ移動する陰電荷キャリアーは、水の反対する側に配置された、アニオン膜706から水へ移動する正電荷キャリアーと再結合する。
【００４６】
典型的な電気化学の実施形態700において、正電荷キャリアーは水素イオン(H+)である。水素イオンはそれぞれの高再結合材料、水704に向かって移動する。電気化学の実施形態700中の陰電荷キャリアーは水酸化物イオン(OH-)である。水酸化物イオンは、さらにそれぞれの高再結合材料、水704に向かって移動する。これらの正電荷水素イオンの移動及び水酸化物イオンの反対の移動は、電気化学の実施形態700を横切ってチャージの正味の移動につながり、それによって電流と電圧につながる。水素イオンは、水酸化物イオンからの極性において逆である。
【００４７】
任意の適切な陰イオン交換膜材料もアニオン膜706に使用されてもよい。任意の適切な陽イオン交換膜材料もカチオン膜708に使用されてもよい。典型的な機能する実施形態は、CMI-7002陽イオン交換膜により間にはさまれたAMI-7001S陰イオン交換膜を用いた。9つの膜ペアがトレー702に配列され、蒸留水は高再結合材料704として使用された。
【００４８】
典型的な実施形態において、水素は、正端子210へ近接した、カバー702から排出された。いくつかの実施形態において、カバー702は他の電気化学の処理で使用される排出する水素を取り込むように構成されてよい。
【００４９】
典型的な実施形態において、酸素は、負端子212へ近接した、カバー702から排出された。いくつかの実施形態において、カバー702は他の化学電気化学の処理で使用される排出する酸素を取り込むように構成されてよい。
【００５０】
高再結合材料704として水を利用する電気化学の実施形態700において、排出する水素及び酸素は水を消耗する。従って、電気化学の実施形態700の有効寿命を延ばすために、水は時々加えられなければならないかもしれない。
【００５１】
ダイレクト熱電変換器100の上記実施形態が、発明の実施の単に可能な例であることが強調されるべきである。多くの変形及び修正が上記実施形態になされてよい。そのような修正及び変形はすべて、この開示の範囲内でここに含まれ、かつ次の請求項により保護されるように意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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