本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種熱離子轉(zhuǎn)化器及其熱-電轉(zhuǎn)化方法。

背景技術(shù)：

熱能是當(dāng)今能源景觀中儲量最豐富，使用范圍最廣的能源。2015年，全中國67.4％的電能來自于通過機(jī)械熱發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)化的熱能，如蒸汽渦輪。通過傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠燃燒化石燃料、核能或集中的太陽能發(fā)電站可生成大規(guī)模的熱能。也可以通過汽車中的發(fā)動機(jī)或者民居的熱水器生成分布式地小規(guī)模的熱能。

然而，大多數(shù)的熱能浪費(fèi)在大型電站的機(jī)械熱發(fā)動機(jī)中。根據(jù)卡諾效率理論，那些巨型機(jī)械熱發(fā)動機(jī)的效率有一個上限。另外，許多實(shí)際問題，如機(jī)械摩擦，更降低了實(shí)際效率。今天，大多數(shù)熱發(fā)動機(jī)的效率僅在3％-49％。

在小型終端上，還沒有任何商業(yè)技術(shù)廣泛應(yīng)用在能產(chǎn)生大量電能的熱電轉(zhuǎn)換。由于尺寸大、質(zhì)量重，以及它們的工作機(jī)制，機(jī)械熱發(fā)動機(jī)在低功率時(shí)表現(xiàn)較差，限制了在其有限領(lǐng)域中的應(yīng)用。

熱離子轉(zhuǎn)換器(TEC)是一種靜態(tài)直接熱-熱量轉(zhuǎn)化技術(shù)。與熱電相似，TECs也是一種靜態(tài)直接熱-熱量轉(zhuǎn)化技術(shù)。僅需要電子本身而不是任何能量或工作流體的中間形式。這保證了可靠性和低維修費(fèi)用。但是，與熱電的區(qū)別在于，采用當(dāng)前材料，TECs的效率更高。熱電需要一個在兩電極中的固態(tài)材料，TECs在陰極和陽極之間有一個真空間隙。這個特性通過減少寄生熱傳導(dǎo)，從根本上提高了效率，同時(shí)允許彈道電子傳輸。另外，TECs在高延展性上有巨大潛力，因?yàn)樗粌H可以與大型集中式發(fā)電站中現(xiàn)有機(jī)械熱發(fā)動機(jī)串聯(lián)，也可以與成千上萬個民居和內(nèi)燃機(jī)并聯(lián)。

當(dāng)前TEC的發(fā)展瓶頸主要有兩方面，一方面是陽極逸出功過高，直接導(dǎo)致輸出電壓和輸出功率較低。給定的陰極逸出功，我們希望陽極逸出功盡可能低以使輸出電壓最大化，同時(shí)保持相同的輸出電流。另一方面是電極間空間中的空間電荷勢壘，其在帶有大電極間空間的設(shè)備中被放大，因?yàn)殡姾稍谡婵罩袀鬏敃r(shí)間更久，導(dǎo)致建立一種更高的間隙電位。由于缺乏較好的加工技術(shù)，空間電荷屏障在TEC設(shè)備上具有破壞作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種同時(shí)解決陽極逸出功過高與空間電荷勢壘問題的熱離子轉(zhuǎn)換器及其熱-電轉(zhuǎn)化方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種熱離子轉(zhuǎn)化器的熱-電轉(zhuǎn)化方法，其特征在于它包括：

S1通過原子層沉積技術(shù)在p⁺⁺硅基層上注澆20nm厚的HfO₂層，以作為注澆介質(zhì)；

S2通過化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制備石墨烯；

S3將石墨烯轉(zhuǎn)移到HfO₂層上，并作為轉(zhuǎn)換器陽極；

S4在陽極上施加背柵電壓V_G，用以通過靜電注澆效應(yīng)控制陽極逸出功；

S5通過五軸機(jī)械手控制陽極和陰極之間的距離；

S6加熱所述陰極到750℃并維持3小時(shí)，以穩(wěn)定此轉(zhuǎn)換器；

S7繼續(xù)加熱并維持所述陰極至在1000℃。

進(jìn)一步，所述五軸機(jī)械手具有0.7μ弧角以及30nm平移精度。

一種熱離子轉(zhuǎn)化器，包括陰極、陽極和兩電極之間的間隙，所述陽極為背柵石墨烯陽極，所述陰極為鋇鎢陰極，所述間隙的距離為17μm。

基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：同時(shí)解決了當(dāng)前TEC設(shè)備由于陽極逸出功過高與空間電荷勢壘導(dǎo)致低轉(zhuǎn)化率的問題。

【附圖說明】

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作出進(jìn)一步的說明。

圖1為本發(fā)明一種熱離子轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明忽略從陽極到陰極的背發(fā)射電流的理想真空TEC設(shè)備的I-V特性曲線。

圖3為本發(fā)明擬合的石墨烯的逸出功關(guān)于V_G的函數(shù)。

圖4為擬合圖3中A關(guān)于V_G的函數(shù)。

圖5為本發(fā)明不同電荷間間隙尺寸時(shí)該TEC的IV特性曲線。

圖6為根據(jù)圖4不同電荷間間隙尺寸，輸出功率P_out為關(guān)于V_out的函數(shù)。

【具體實(shí)施方式】

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

通過采用一個背柵電壓V_G，由于電容電荷聚集，石墨烯的費(fèi)米能級可以提升，并導(dǎo)致逸出功減少。然后證明了通過減小電極間間隙的尺寸，由于空間電荷勢壘的聚集，P_out顯著增加。一旦間隙尺寸在100μm內(nèi)，在工作溫度內(nèi)，鋇的次單層將從鋇鎢陰極沉積到石墨烯表面，由于表明形成強(qiáng)偶極，導(dǎo)致一個更低的逸出功。

如圖1為該TEC結(jié)構(gòu)的示意圖，一20nm厚的HfO₂層通過原子層沉積技術(shù)(ALD)沉積在一個p⁺⁺硅基層上，并作為該注澆介質(zhì)(參見輔助信息)。一通過化學(xué)氣相沉積生長在銅箔上的5mm²的石墨烯轉(zhuǎn)移到該HfO₂層上。在HfO₂層施加一背柵電壓V_G，通過靜電注澆效應(yīng)控制石墨烯的逸出功。本發(fā)明中鋇鎢陰極包括操作溫度為1000℃的浸漬鋇鎢復(fù)合物。在大約600℃時(shí)，鋇開始分散和傳播到所述陰極的表面，以減少所述陰極的逸出功。在操作溫度1000℃時(shí)，鋇從陰極表面釋放。如果該石墨烯陽極足夠接近該陰極表面(＜100μm)，將在幾個小時(shí)內(nèi)在陽極上逐漸形成鋇的單層，這對于降低陽極的逸出功是不可缺少的。該鋇鎢陰極設(shè)置在一個五軸機(jī)械手上，該五軸機(jī)械手具有0.7u弧角以及30nm平移精度。該機(jī)械手控制陰極位置并用來減少電極間尺寸。所述TEC原型在超高真空(UHV)系統(tǒng)中Torr基準(zhǔn)壓力下測試。在工作溫度下，壓力低于Torr。

如圖2為，忽略從陽極到陰極的背發(fā)射電流的理想真空TEC設(shè)備的I-V特性曲線。飽和電流由以下Richardson-Dushman方程得出：

其中A是Richardson-Dushman常數(shù)，鋇鎢陰極估算70A/cm²K²，S是電荷的表面區(qū)域，T是陰極溫度。當(dāng)施加一外部偏壓V_out，所有的熱散射電子有足夠的能量穿越所述電極間間隙。結(jié)果是，I_out保持與I_S恒定，也被稱為飽和區(qū)。另一方面，這時(shí)，由于施加的電荷潛在勢壘，只有一小部分發(fā)射的電子可以到達(dá)陽極。

這稱為Boltzmann區(qū)域。對數(shù)尺度下在I-V特性曲線中的Biltzmann區(qū)域看起來是一條直線，其斜率僅取決于陰極溫度T。當(dāng)T固定，陽極逸出功決定該Biltzmann線的截距，這個特性我們用作確定是否發(fā)生任何變化。我們也可通過擬合飽和電流I_S估計(jì)C值。與理想I-V特性曲線相比，由于空間電荷勢壘，實(shí)際的TECs的I_out極低。

參見圖3，測量靜電注澆石墨烯對TEC性能的影響。首先通過監(jiān)視飽和電流Is，運(yùn)行幾個小時(shí)鋇鎢陰極以使系統(tǒng)穩(wěn)定。該陰極設(shè)置在一個相對低的溫度下，750℃左右，這樣I_S足夠小而不會引起顯著的空間電荷勢壘，甚至在一個接近1nm大的電極間隙。這確保了一個干凈的石墨烯表面，沒有任何從鋇鎢陰極沉積的鋇。圖4顯示了背柵電壓V_G在-6V到8V的I-V特性曲線。Boltzmann線的移位，0.63eV，對應(yīng)由于靜電注澆，石墨烯陽極逸出功的變化，其特征在于這里EG是HfO₂介質(zhì)層中的柵極電場，ED是電荷中性電場，此時(shí)石墨烯的費(fèi)米能級在它的狄拉克點(diǎn)，V_F是石墨烯費(fèi)米速度，ε是HfO₂的介電常數(shù)，A₀是石墨烯的本身的逸出功，此時(shí)它的費(fèi)米能級在該狄拉克點(diǎn)。

參見圖4，繪制出了擬合圖3中A關(guān)于V_G的函數(shù)。通過與圖3的數(shù)據(jù)擬合，相比其他方法測量的結(jié)果，V_F更小，例如通過掃描凱爾文探針力顯微鏡和傳遞測量。這可能是因?yàn)楸砻嫒毕?，相比?nèi)平面電流可能更影響外平面電流。擬合線如圖4。這個結(jié)果第一次證明在TEC設(shè)備上靜電注澆石墨烯。但是，單單這種額外的陽極逸出功不足以使TEC設(shè)備發(fā)電。

如圖5、圖6所示，為抑制空間電荷勢壘，我們使用五軸機(jī)械手控制陰極向石墨烯陽極移動，為了減小電極間的間隙。通過仔細(xì)比對，獲得的最小電極間間隙接近17um。不同電極間間隙的I-V特性曲線如圖5所示。隨著電極間間隙的減小，I_out的急劇增長表明石墨烯能夠收集高出至少0.2A/cm²的平面外電流密度而無明顯的電子反射。A擁有相對穩(wěn)定的測量過程，大約1小時(shí)，改變小于0.1eV，如圖2的Boltzmann線所示。最大輸出功率P_out，max增加了30.6倍，從50uW增加到1.53mW，電極間的間隙從1mm變到17um。

最后，另一個石墨烯的樣品，通過靜電注澆，為了進(jìn)一步減少石墨烯的逸出功，施加了背柵電壓V_G。擬合后，通過靜電注澆A從1.85eV減小到1.69eV。隨著額外陽極逸出功的減少，生成功率的最大值P_out，max從1.98mW增加到3.30mW，提升了67％。相比鎢，常規(guī)TEC的陽極材料，使用相同的實(shí)驗(yàn)過程，其逸出功為2.15eV，功率提升了6.7倍。

發(fā)明了一種原型TEC，利用背柵石墨烯陽極、鋇鎢陰極和17um的可控電極間的間距，同時(shí)解決了部分1中的兩個問題。在1000℃的陰極條件下，得到了一個目前為止最高的9.8％電轉(zhuǎn)化效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。