本發(fā)明涉及一種電荷或電能儲放的層合結(jié)構(gòu)元器件。

背景技術(shù)：

普通的電容器和充電電池是用于儲存和釋放電荷或電能的常見元器件。

傳統(tǒng)的含有PN結(jié)的半導(dǎo)體，外加正向電壓時電荷和電流在其內(nèi)部能夠傳導(dǎo)，施加反向電壓時不導(dǎo)通，很低的反向電壓（比如>5V）就可能將其擊穿。

超級電容器，又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器，它是一種電化學(xué)元件，通過極化電解質(zhì)來儲能。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，實際上形成兩個容性存儲層，多孔電極板的比表面積巨大，所以電容很大。超級電容器正常工作狀態(tài)下電壓為3V以下，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解。所以其儲存的能量不如蓄電池大。而蓄電池放電功率小，超級電容大。蓄電池充電較慢，超級電容充電較快。兩者都只能在-40度到70度之間工作。

2015年9月，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和北京大學(xué)的崔厚磊、黃富強等研究者發(fā)現(xiàn)了一種全新的超級電容器性能優(yōu)異的氮化鈮電極材料和氮摻雜的有序介孔石墨烯電極材料。增加了電化學(xué)儲能活性，又沒有降低材料的高導(dǎo)電率，比容量高很大，組裝成的對稱器件能快速充電和快速放電，但是耐電壓較低，只有幾伏特（<6V）。

專利申請?zhí)枮?92578353的半導(dǎo)體蓄電池，由殼體、導(dǎo)線、充電極板、絕緣體、pn型半導(dǎo)體板、良導(dǎo)體板組成。它是在殼體內(nèi)由左至右裝上充電極板、絕緣體和焊接為一體的兩邊是良導(dǎo)體板中間是p、n型半導(dǎo)體板的組合體，殼體兩側(cè)和中間分別引出充電極板和良導(dǎo)體板的三根導(dǎo)線。當(dāng)充電時，由左側(cè)充電極板導(dǎo)線連接外加直流電源正極，右側(cè)良導(dǎo)體板引出導(dǎo)線連接直流電源負(fù)極。放電時，殼體中間引出的良導(dǎo)體板導(dǎo)線和殼體右側(cè)良導(dǎo)體板導(dǎo)線與負(fù)荷串連。事實上該裝置基本不具有實用價值，因為絕緣體的存在，使其基本不能充電，只能在絕緣體的兩側(cè)集聚正負(fù)電荷，緊密相連的p、n型半導(dǎo)體板不起任何作用，基本不能放電。

申請?zhí)枮?006100883842的發(fā)明涉及一種高壓電容的電介質(zhì)配方，為解決目前的電介質(zhì)在高壓應(yīng)用領(lǐng)域中存在的耐壓值低、介電常數(shù)低、介質(zhì)損耗大的缺點，本發(fā)明鈦酸鋇BaTiO380％、鈦酸鈣CaTiO38-10％、氧化鋅ZnO 0.1-2％、二氧化錳MnO20.1-1％、三氧化二鏑Dy2O34-8％、鈦酸鎂MgTiO33-5％組成電介質(zhì)，這樣就可以將電容的交流耐壓值提高到1.5kV/mm，介電常數(shù)ε≈6000，在100Hz-10kHz的交流工作電流中，介質(zhì)損耗≤0.0006，適用于作旁路，耦合使用或用于在低頻損耗和電容量高、穩(wěn)定性都非重要的鑒頻電路中。該發(fā)明給出了制造耐高壓電容的有益啟示。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：

本發(fā)明提供一種儲能較大、耐壓較高、功率較大的儲存電能和釋放電能的裝置。

技術(shù)方案：

一種儲存電能的層合裝置，具有多個連接在一起的內(nèi)部元件，具有類似電容的結(jié)構(gòu)，在其外圍或者有絕緣體或保護(hù)殼體，具有依次連接的第一集電體、第一半導(dǎo)體、介電體、第二半導(dǎo)體、第二集電體，第一集電體和第二集電體上具有能夠分別連接電源正極和負(fù)極的引出裝置（類似于電極，所述的集電體厚度介于1μm~5.0mm），以便連接電源后充正負(fù)電荷，在兩個集電體之間具有電壓，正負(fù)電荷分別位于介電體兩側(cè)的集電體內(nèi)表面（靠近半導(dǎo)體的那面）和半導(dǎo)體內(nèi)部空間中，能夠?qū)崿F(xiàn)分別儲存較多的正負(fù)電荷和電能的功能；而且充電后正負(fù)電荷或傳導(dǎo)電流基本不能在介電體中通過（類似電容器兩極板之間僅供位移電流通過）。

一個或多個該裝置能夠并聯(lián)或者串聯(lián)，可以共用引出裝置，可以共用絕緣體或保護(hù)殼體。

所述的集電體為良導(dǎo)體制成（良導(dǎo)體是以金、銀、銅、鉑金、石墨或者石墨烯等導(dǎo)電率高的材料為主要成分）；所述的半導(dǎo)體主要成分為IVA族元素（C\Si\Ge\Sn\Pb）、IIA~VIA族（優(yōu)選IIIA~VA族，成本較低，制造較容易）元素的化合物或者IB~VIB族元素（過渡族元素，優(yōu)選IIIB~VB，成本較低，制造較容易）的化合物；

所述的介電體為絕緣材料層或者為浸漬電解質(zhì)的隔膜層（電解質(zhì)的隔膜兩側(cè)具有電解質(zhì)，電解質(zhì)中的小離子或正負(fù)電荷能夠穿越電解質(zhì)隔膜）制成；

介電體為絕緣材料層時，厚度介于0.01mm-10mm，耐電壓為50V-10KV以上）；介電體為浸漬電解質(zhì)的隔膜層時，其中的隔膜厚度介于5μm~0.5mm；半導(dǎo)體的厚度介于0.001μm~5mm。

介電體為浸漬電解質(zhì)的隔膜層時，第一半導(dǎo)體與介電體之間還有鋰離子電池正極材料（含鋰化合物，LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiFeO、LiWO 等），或者第一半導(dǎo)體與鋰離子電池的正極材料組合、復(fù)合或聚合為第一結(jié)合體；介電體與第二半導(dǎo)體之間還有鋰離子電池負(fù)極材料（負(fù)極化合物有LiC、TiS、WO、NbS、VO、焦炭、石墨等），或者第二半導(dǎo)體與鋰離子電池的負(fù)極材料組合、復(fù)合或聚合為第二結(jié)合體；（所述的組合是指半導(dǎo)體與鋰離子電池電極材料的片材或者塊材之間的層合或嵌合，所述的復(fù)合是指半導(dǎo)體與鋰離子電池電極材料的纖維、顆粒或基體之間的結(jié)合，所述的聚合是指構(gòu)成半導(dǎo)體與構(gòu)成鋰離子電池電極材料的原子、原子團(tuán)或者分子鏈之間的結(jié)合）。

介電體為浸漬電解質(zhì)的隔膜層時，第一半導(dǎo)體與介電體之間還有超級電容使用的多孔正極材料，或者，第一半導(dǎo)體與超級電容使用的多孔正極材料組合、復(fù)合或聚合為第一結(jié)合體；介電體與第二半導(dǎo)體之間還有超級電容使用的多孔負(fù)極材料，或者，第二半導(dǎo)體與超級電容使用的多孔負(fù)極材料組合、復(fù)合或聚合為第二結(jié)合體。

該裝置類似于電容，但是與單純的平行板電容器不同，其電荷聚集的空間位置非面狀，而是在三維空間分布，具有特殊的電學(xué)特性，經(jīng)過具體實施數(shù)據(jù)驗證，其電容的實際數(shù)值不同于傳統(tǒng)的平行板電容計算公式計算得出的結(jié)果；該裝置的電容特性也不同于PN結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容，正反向加電壓時，均可以具有電容，而且一般遠(yuǎn)大于勢壘電容和擴(kuò)散電容。

本發(fā)明中，所述的半導(dǎo)體優(yōu)選是N型半導(dǎo)體或者P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體為摻雜IIA或IIIA族元素的半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體為摻雜VA或VIA族元素的半導(dǎo)體，它們的摻雜濃度介于10¹⁵-10²²/g的數(shù)量級之間（優(yōu)選10¹⁸~10²¹/g，自由電荷更多，能夠儲存電能的能量更大，濃度太大了摻雜不易實現(xiàn)）。

本發(fā)明中，所述的第一半導(dǎo)體與第二半導(dǎo)體可以是不同品種的半導(dǎo)體（采用不同類型的半導(dǎo)體，加載相同的電壓后，儲存的電量比采用相同類型的半導(dǎo)體更多。優(yōu)選所述的第一半導(dǎo)體是N型半導(dǎo)體，第二半導(dǎo)體是P型半導(dǎo)體，正負(fù)電荷在充電電路或外電路中的移動更順暢；或者，第一半導(dǎo)體是P型半導(dǎo)體，第二半導(dǎo)體是N型半導(dǎo)體，與它們在介電體中產(chǎn)生的內(nèi)電場方向一致，可以加強充電瞬間介電體中位移電流的通過能力），自由電子和空穴分別流向電源的正極或負(fù)極，使得所充正負(fù)電荷和可以釋放的電荷更多，儲存電能的能量更大。

本發(fā)明中，所述的集電體厚度介于1μm~5.0mm（優(yōu)選0.02~2.0mm，滿足大電壓電流和體積較小的要求）；介電體厚度介于1μm~10mm（優(yōu)選厚度為0.1mm~2mm，使得該裝置耐高壓，電容容量又較大，點功率更大）；半導(dǎo)體的厚度介于0.001μm ~5mm（優(yōu)選1μm ~1mm，使得該裝置中自由電子和空穴較多，耐較大電壓電流，裝置的電容容量又不太?。?/p>

本發(fā)明中，該裝置可以是平行板狀、柱狀、塊狀、纏繞狀；或者，半導(dǎo)體包裹在集電體內(nèi)部，介電體包裹在半導(dǎo)體內(nèi)部；或者，集電體包圍在半導(dǎo)體中，半導(dǎo)體預(yù)埋在介電體中?？梢詳?shù)個該裝置并聯(lián)或者串聯(lián)后再共用正負(fù)極引出裝置。

本發(fā)明中，在第一集電體的外側(cè)可以依次連接有含PN結(jié)的元件（或含PN結(jié)的半導(dǎo)體，單向通電）、第三集電體，PN結(jié)的P區(qū)連接第三集電體，PN結(jié)的N區(qū)連接第一集電體。第三集電體具有能夠連接電極的引出裝置。作用是充電容易進(jìn)行；充電或斷電時，防止誤操作接反，防止漏電。

該裝置儲存電能或充電時，充電電源的正極連接第一集電體或者第三集電體，充電電源的負(fù)極連接第二集電體。

本發(fā)明中，P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體中，各自摻雜元素的摻雜濃度在不同部位有所變化。兩側(cè)加電壓后，在內(nèi)電場的影響下，自由電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部分布更加均勻，而不是靠近集電體表面或者介電體表面，便于儲存更多電荷。

本發(fā)明中，介電體或者半導(dǎo)體的表面可以有良導(dǎo)體面層。

本發(fā)明中，優(yōu)選介電體是介電常數(shù)為1000~20000的鈦酸鹽為主要成分的陶瓷（如介電陶瓷或者壓電陶瓷），該裝置電容較大，并且能耐10V~10000V的電壓（可以集中在100V~1000V的市電電壓區(qū)間，使用更加方便）。

本發(fā)明中，優(yōu)選P半導(dǎo)體為摻雜硼元素或鎵元素的單層或多層石墨烯、碳納米管、碳?xì)饽z、活性碳纖維或多孔石墨，N型半導(dǎo)體為摻雜氮元素或磷元素的石墨烯、碳納米管或多孔石墨導(dǎo)電性更好，自由電子或空穴移動的速度接近光速，沖放電荷速度更快。上述的儲存電能的裝置可以直接連接用電元器件（電動機(jī)或燈、顯示屏、控制器等）放電；也可以先與電感器或電容器或電阻連接，然后與用電元器件連接，電路中能夠產(chǎn)生振蕩（甚至諧振或接近諧振），使得該裝置的放電時間延長，用電元器件能夠長久工作。

該裝置釋放電能或放電時，用電元器件的正極連通第一集電體，用電元器件的負(fù)極連通第二集電體。

本發(fā)明先再連接整流電路、變壓電路或者整流濾波電路（產(chǎn)生直流電或者穩(wěn)壓電流供給用電器使用，類似電池的功能），然后與用電元器件連接。

本發(fā)明可以在50-200℃的溫度下使用，半導(dǎo)體中會產(chǎn)生更多的電子-空穴對，能夠儲存和釋放的電能能量更多。

本發(fā)明的P型半導(dǎo)體電極層+介電體層+N型半導(dǎo)體電極層與傳統(tǒng)的PN結(jié)不同，電荷和電流在其內(nèi)部完全不能傳導(dǎo)，傳導(dǎo)電荷和電流只能在連接充電電源或用電元器件時在外電路中存在并通過。

另外，釋放電能的裝置可以作為電池或超級電容器使用，用于驅(qū)動用電元器件；也可與蓄電池并聯(lián)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的電啟動系統(tǒng)，能有效保護(hù)蓄電池，延長其壽命，特別是在低溫和蓄電池容量不足的情況下，確保可靠啟動。有益效果：

與傳統(tǒng)的超級電容器（電化學(xué)電容器、電雙層電容器）、電解電容器均不同（大比表面積電極，極小距離的雙電荷層，電解液傳輸電荷，高分子隔膜做隔離材料）；與傳統(tǒng)的平行板電容器也不同（極板是半導(dǎo)體，而且兩級是不同類型的摻雜半導(dǎo)體）。

由于本發(fā)明具有高介電常數(shù)的介電體存在，不易擊穿，耐高壓（100V~1000V，傳統(tǒng)的超級電容器、電解電容器、電池的耐壓<10V）、耐大電流（不易擊穿）、無電解質(zhì)和隔膜（耐高低溫、不爆炸）、比超級電容略小的大電容（C=εS/4πkd，ε大，d大，表面積與平行板電容器類似，但是源于三維空間可儲存的電荷與超級電容器相當(dāng)，實際積存電荷的表面積相當(dāng)于大得多）、大比能量（由于電壓高）、大比功率、更快速充放電（自由電子和空穴在半導(dǎo)體中的充放速度接近光速，尤其是摻雜的石墨烯或石墨層，而超級電容器的電解質(zhì)中電荷的移動速度慢很多）、充放電循環(huán)次數(shù)很多、壽命長久。釋放電能時間、電流大小、電壓大小可調(diào)控。

本發(fā)明在溫度升高時，電子可以獲得更高能量躍遷到導(dǎo)帶上，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，產(chǎn)生的電壓電流、能量和功率更大，傳統(tǒng)的超級電容器和電解電容，是不能高溫工作的。

附圖說明

圖1是發(fā)明的一種剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是發(fā)明的另一種剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-空穴；2-第一集電體；3-第一半導(dǎo)體；4-介電體；5-第二半導(dǎo)體；6-第二集電體；7、自由電子；8-負(fù)極的引出裝置；9、10-正極的引出裝置；11、PN結(jié)，12-第三集電體。

具體實施方式

如圖2所示的儲存電能的層合裝置，具有類似電容的結(jié)構(gòu)，具有依次連接的第三集電體、含PN結(jié)的半導(dǎo)體、第一集電體、第一半導(dǎo)體、介電體、第二半導(dǎo)體、第二集電體，第一集電體和第二集電體、第三集電體具有能夠分別連接電源正極和負(fù)極的引出裝置，以便充電荷后在兩個集電體之間具有電壓，實現(xiàn)儲存電能和釋放電能的功能。

所述的集電體為良導(dǎo)體制成；所述的半導(dǎo)體主要成分為IVA族元素或者IIIA-VA族元素的化合物；是N型半導(dǎo)體或者P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體為摻雜IIA或IIIA族元素的半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體為摻雜VA或VIA族元素的半導(dǎo)體，它們的摻雜濃度介于10¹⁸-10²⁰/cm³的數(shù)量級。所述的介電體為絕緣材料制成。

所述的集電體厚度介于0.2-2.0mm；介電體厚度介于0.1~2mm；半導(dǎo)體的厚度介于0.1μm ~0.5mm。當(dāng)介電體的介電常數(shù)為1000~10000時，其單位面積的電容數(shù)值與只有介電體和集電體（或稱電極板）的普通平行板電容（其介電體厚度與本發(fā)明的介電體相同或者為與本發(fā)明的介電體厚度與半導(dǎo)體厚度之和相同時）電容數(shù)值具有相關(guān)性，與半導(dǎo)體的品種和其中的摻雜濃度也有密切相關(guān)性。遠(yuǎn)大于普通PN結(jié)的兩種電容的電容數(shù)值。

該裝置充電時，充電電源的正極連接第一集電體或者第三集電體，充電電源的負(fù)極連接第二集電體。該裝置放電時，用電元器件的正極連通第一集電體，用電元器件的負(fù)極連通第二集電體。可以儲存和釋放較多的電荷，實現(xiàn)儲能和放電的功能。