本發(fā)明涉及一種同位素電池裝置，具體涉及一種α輻致光伏一體化同位素電池。

背景技術(shù)：

1、同位素電池也稱(chēng)核電池、放射性同位素電池、它是利用放射性同位素衰變過(guò)程中放出的載能粒子(如α粒子、β粒子、γ射線(xiàn)和x射線(xiàn)等)的能量或由它們引起的熱效應(yīng)、光效應(yīng)或電離作用等并將其轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。該類(lèi)型電池具有環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾性強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、可長(zhǎng)期服役運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，因而在航空、航天、航海領(lǐng)域、深海、深地、極地領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和微機(jī)電系統(tǒng)中都有具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。同位素電池有幾種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，如熱電效應(yīng)、熱離子效應(yīng)、α輻射伏特效應(yīng)、β輻射伏特效應(yīng)和輻致光伏轉(zhuǎn)換等等。但是迄今為止，α輻射伏特效應(yīng)電池的應(yīng)用仍受到限制，主要是因?yàn)棣亮Ｗ硬豢杀苊獾貢?huì)對(duì)半導(dǎo)體材料造成輻射損傷，從而在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)降低電池的電力輸出。未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵在于限制這種退化的能力。因此提出了間接轉(zhuǎn)換的方式，利用輻致光伏效應(yīng)，將α能量先轉(zhuǎn)化為光能，然后通過(guò)半導(dǎo)體器件再轉(zhuǎn)換成電能，形成了α輻致光伏效應(yīng)同位素電池。

2、2005年，bailey等人制備了210po/zns:cu/ingap組成的疊層結(jié)構(gòu)α輻致光伏效應(yīng)同位素電池，其短路電流為6na，開(kāi)路電壓為0.8v。2007年，m.sychov等人分別檢測(cè)了不同質(zhì)量厚度的zns基質(zhì)熒光層在β源和α源激發(fā)下的輻致熒光光強(qiáng)，并利用300mci的238puα源和zns、aigaas制備成輻致光伏效應(yīng)同位素電池。2008年maxim?sychov等人使用α源238pu制備了基于238pu/zns/algaas的間接換能電池，得到了21μw的輸出功率。2008年，美國(guó)羅徹斯特理工學(xué)院的c.d.cress等人研究了y2o3:tb和y2o3:eu熒光粉在210poα源激發(fā)下的輻致熒光性能，并分析了其在輻致光伏效應(yīng)同位素電池中的應(yīng)用潛能。α輻致光伏同位素電池抗輻照性能較好、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但其依然存在能量轉(zhuǎn)換效率較低以及輸出功率較小的問(wèn)題。其中放射源的自吸收問(wèn)題就是導(dǎo)致電池輸出性能低的重要原因。因此提高α輻致光伏效應(yīng)同位素電池的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率依舊是同位素電池領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了在避免半導(dǎo)體材料輻射損傷的條件下，解決α輻致光伏效應(yīng)同位素電池的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，提出了一種α輻致光伏一體化同位素電池。從根本上解決了由于放射源自吸收效應(yīng)帶來(lái)的不利影響，同時(shí)解決同位素電池的能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。

2、閃爍體是一類(lèi)吸收高能粒子或射線(xiàn)后能夠發(fā)光的材料，在輻射探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。摻鈰的gd3(ga,al)5o12(gagg:ce)是一種新型閃爍體，具有高密度(6.63g/cm3)、高產(chǎn)光率(56000photons/mev)、快速閃爍衰減時(shí)間(～100ns)和非吸濕性等特點(diǎn)。因此，已廣泛應(yīng)用于高能天體物理學(xué)、醫(yī)學(xué)分子成像、環(huán)境放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)等各種應(yīng)用中。同位素電池的放射源性質(zhì)影響電池的輸出性能。純?chǔ)猎?48gd因其半衰期較長(zhǎng)(74.6年)，功率密度較大(0.61w/g)的特性在α輻射伏特效應(yīng)同位素電池中有巨大應(yīng)用潛力。但其自吸收效應(yīng)不利于電池輸出性能的提高。因此，選擇148gd3(ga,al)5o12:ce作為α輻致光伏一體化同位素電池的放射源，將載能與換能相結(jié)合，能夠有效地降低自吸收效應(yīng)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。硅作為半導(dǎo)體換能器件在光伏電池應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)十分廣泛。其制備工藝成熟，能量轉(zhuǎn)換效率較高，且能夠較好的ggag:ce的特征發(fā)射波長(zhǎng)響應(yīng)匹配形成輻致光伏效應(yīng)。

3、本發(fā)明的α輻致光伏一體化同位素電池是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

4、一種α輻致光伏一體化同位素電池，所述電池的結(jié)構(gòu)包括電池本體和封裝外殼。且所述電池本體包括：

5、半導(dǎo)體器件a，閃爍體層a、放射源層、閃爍體層b和半導(dǎo)體器件b；

6、其中，所述放射源層為鈰摻雜的148gd3(ga,al)5o12；

7、所述閃爍體層a和b均為鈰摻雜的gd3ga2al3o12:ce(ggag:ce)閃爍陶瓷陶瓷材料；

8、所述半導(dǎo)體器件a和b均為硅p-n結(jié)；

技術(shù)特征：

1.一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，從上到下包括：半導(dǎo)體換能器件a(1)、閃爍體層a(2)、放射源層(3)、閃爍體層b(4)、半導(dǎo)體換能器件b(5)；

2.如權(quán)利要求1所述一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件a包括：

3.如權(quán)利要求1所述一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件b包括：

4.如權(quán)利要求2或3所述一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，所述正電極層a和b為ito薄膜透明電極，且所述正電極層a和b的厚度為130nm；

5.如權(quán)利要求2或3所述一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，所述硅p-n結(jié)a和b的厚度為160～180μm，且p區(qū)摻雜濃度nd為1016～1018cm-3，n區(qū)摻雜濃度na為1014～1016cm-3。

6.如權(quán)利要求1所述一種α輻致光伏一體化同位素電池，其特征在于，還包括電池殼體(6)、以及電池殼蓋(7)，所述電池殼體(6)與所述電池殼蓋(7)之間可拆卸連接，且所述電池殼體(6)內(nèi)部具有用于安裝所述電池本體的空腔結(jié)構(gòu)(61)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種α輻致光伏一體化同位素電池和制備方法，解決了α輻射伏特效應(yīng)同位素電池由于自吸收效應(yīng)而帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。其基本結(jié)構(gòu)從上到下包括：Si半導(dǎo)體換能器件A、Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;:Ce(GGAG:Ce)閃爍陶瓷A、<supgt;148</supgt;Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;一體源、Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;:Ce(GGAG:Ce)閃爍陶瓷B、Si硅半導(dǎo)體換能器件B。<supgt;148</supgt;Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;一體源既能產(chǎn)生α粒子，又能產(chǎn)生光子，同時(shí)進(jìn)行載能和換能，有效地降低了自吸收效應(yīng)帶來(lái)的不利影響。<supgt;148</supgt;Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;一體化放射源產(chǎn)生的光子能夠透過(guò)閃爍陶瓷，其產(chǎn)生的α粒子使兩側(cè)的閃爍陶瓷Gd<subgt;3</subgt;Ga<subgt;2</subgt;Al<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;:Ce(GGAG:Ce)發(fā)光，二者均被兩側(cè)的換能器件收集。半導(dǎo)體器件內(nèi)部產(chǎn)生電子?空穴對(duì)，電子?空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下形成電流。其載能換能一體化的結(jié)構(gòu)有效地避免了半導(dǎo)體的輻射損傷，并提高了同位素電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)研發(fā)人員：陸景彬,劉雨鑫,崔啟明,袁鑫旭,劉新銳,張譽(yù)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21