一种量子点贝塔伏特电池制造技术

本发明专利技术公开了一种量子点贝塔伏特电池，其包括置于底部电极(5)和顶部电极(1)之间的半导体纳米管阵列薄膜(4)，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层(7)，所述量子点层(7)上又涂有固态同位素辐射源层(3)，或者所述量子点层(7)所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。本发明专利技术向半导体纳米管中引入量子点，提高了贝塔伏特电池的短路电流和开路电压以及能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种量子点贝塔伏特电池
本专利技术属于同位素电池领域，具体涉及一种量子点贝塔伏特电池。
技术介绍
随着物联网技术的发展，能源供给装置的微型化、集成化成为微型传感系统发展中迫切需要解决的问题。同时，越来越多的微传感系统需要被置于特殊的环境下使用，如深海、深空、地下、极地、荒漠等。这些环境往往需要长寿命、免维护和高可靠的电源系统。目前传统的能源由于各自的缺点很难满足使用要求。例如，化学电池能量密度低，高低温性能不稳定，需要频繁地充电。微型燃料电池效率较高，但电池体积大，需要定期向电池内输入燃料。太阳能电池输出功率强度依赖于外部光照和电池板面积。因此，传统的电池并不适用于特殊环境下的电子设备的使用。同位素电池是利用放射性同位素衰变释放的能量转换成电能的自主发电装置，具有能量密度高、寿命长、工作可靠、环境适应性强、无需维护等特点，目前已成为核能源研究的重要方向，其在医学、军事、航空、民用领域等有广阔的应用前景。将同位素辐射衰变能转换为电能主要有4种转换机制：热电转换式、直接充电式、直接能量转换式、间接能量转换式。热电转换式同位素电池使用高能辐射源，使用成本高、难于微型化。直接充电式同位素电池电流很小，驱动能力极弱。间接转换式同位素电池转换效率普遍偏低(<1％)。直接能量转换式同位素电池(又称贝塔伏特电池或β伏特电池)利用贝塔伏特效应，通过收集低能β辐射粒子在半导体材料中激发出的电子和空穴，从而实现电流倍增，可极大地提高了电流密度和转换效率。β伏特同位素电池的能量转换效率随半导体材料禁带宽度的增加而提高，其最高理论的量转换效率可达到32％。虽然贝塔伏特电池有较高的理论能量转换效率，但目前技术实现的转化效率仍低于5％，远未达到工程应用的程度。因此，如何提高贝塔伏特电池的能量转换效率是目前研究的当务之急。宽禁带半导体可增大贝塔伏特电池的开路电压，提高电池的输出功率。同时，宽禁带半导体有高的辐射损伤阈值，具有抗辐射损伤能力强的特点。纳米管/孔材料具有高的比表面积，可极大地提高辐射源与半导体材料的接触面积，从而提高贝塔伏特电池能量转换效率和输出功率。厦门大学的San等人利用宽禁带半导体TiO2三维纳米多孔阵列结构制备了镍-63(Ni-63)贝塔伏特电池，最大有效转化效率达到7.3％(QiangZhang,RanbinChen,HaishengSan,GuohuaLiu,KaiyingWang,“Betavoltaiceffectintitaniumdioxidenanotubearraysunderbuild-inpotentialdifference”,JournalofPowerSources,Vol.282:529-533,2015)。但该能量转换效率仍然偏低，人们迫切希望进一步提高能量转换效率。
技术实现思路
本专利技术第一方面提供了一种量子点贝塔伏特电池，其包括置于底部电极5和顶部电极1之间的半导体纳米管阵列薄膜4，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层7，所述量子点层7上又涂有固态同位素辐射源层3，或者所述量子点层7所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。优选地，所述固态同位素辐射源层3也可以充满所述量子点层7所围成的管状空间。其中，所述半导体纳米管阵列薄膜4是由多个相互平行的纳米管并排排列而成。其中，所述量子点层7和所述同位素辐射源层3为连续层或离散层或二者的组合。其可以是一层或多层。优选地，所述半导体纳米管阵列薄膜4为禁带宽度大于2.3eV的晶态宽禁带半导体薄膜，其中半导体材料可以是半导体金属氧化物、半导体化合物和半导体单质中的至少一种。优选地，构成所述纳米管的材料包含二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化镉、五氧化二铌、氧化铈、三氧化二镓、二氧化锡、三氧化钨、碳化硅、氮化镓、铟镓氮、磷化镓、氮化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝等、二硫化钼、硫化镉、硫化锌、硫化镁、硒化锌、硒化镁、金刚石等。优选地，所述半导体纳米管的管直径为10nm-1000nm，管长为200nm-100μm。优选地，所述量子点层7为由半径不大于激子波尔半径的半导体材料纳米晶粒所组成的层。量子点是指半径小于或接近于激子玻尔半径的准零维纳米晶粒，其内部的电子在各个方向上的运动都受到限制，这赋予了它独特的性能。所述量子点的尺寸在1～100nm范围。通过适合的量子点材料的选择和调控量子点的尺寸可以改变量子点的能带结构以匹配宽禁带半导体纳米管/孔能带结构，实现贝塔辐射的多激子效，并通过量子点和纳米管/孔接触界面的异质结和量子点之间的量子隧道效应增强载流子的分离和传输。构成所述量子点的所述半导体材料可以选自二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化镉、五氧化二铌、氧化铈、三氧化二镓、三氧化二铟、二氧化锡、三氧化钨、铟锡氧、镉铟氧、镉锡氧、碳化硅、氮化镓、铟镓氮、磷化镓、氮化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝、硫化镉、硫化锌、硫化镁、硒化锌、硒化镁、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化铟、磷化铟、硫化锌、硫化铅、硒化铅、硫化铜、二硫化钼、铜铟硫、三硫化二锑、三硫化二铋、富勒烯、石墨烯或碳。所述的量子点材料的制备方法包括原位生长法和非原位生长法两种。原位生长法是在宽禁带半导体纳米管/孔上直接生长并沉积量子点的一种方法，包括化学浴沉淀法(chemicalbathdeposition，CBD)和连续离子层吸附与反应法(successiveioniclayerabsorptionandreaction，SILAR)。非原位生长法是先合成量子点，再将量子点沉积宽禁带半导体纳米管/孔上，包括直接吸附和连接剂辅助吸附两种。其中，所述同位素辐射源为在衰变时能够辐射贝塔粒子的辐射源，其半衰期不低于5年。为防止半导体材料的辐射损伤，贝塔粒子的平均能量不高于250KeV。所选的材料可包括氢-3(氚)、镍-63、碳-14、钴-60、钷-146、锶-90、铯-137中的至少一种。氢-3(氚)、镍-63、碳-14、钴-60、钷-146、锶-90、铯-137中的至少一种。可以选用单质或化合态的同位素。所述同位素辐射源材料可以是单一元素材料，也可是同位素与其他材料复合的材料。同位素辐射源的物理形态可以是固体、气体或液体。所述同位素辐射源材料沉积在量子点修饰的纳米管/孔里的方法包括原位生长法和非原位生长法两种。原位生长法是在宽禁带半导体纳米管/孔上直接生长并沉积同位素辐射源材料的一种方法，包括化学镀、电化学镀、原子层CVD沉积、高温高压扩散、等离子诱导注入、磁控溅射、电子束/热蒸发等。非原位生长法是先合成同位素辐射源材料，再将同位素辐射源材料沉积到纳米管/孔里，包括直接吸附和连接剂辅助吸附两种。其中，所述顶部电极1和底部电极5各自独立地选自金属、半导体、石墨、石墨烯、导电聚合物或导电浆料。顶部电极和底部电极可以是同种材料，也可以是不同种材料。当使用不同导电材料时，由于材料的功函数的不同，可以在宽禁带半导体纳米管/孔阵列薄膜上下两极板间形成接触电势差，强的极板电场有利于电子-空穴对的分离。本专利技术的有益效果：通过向半导体纳米管内壁上引入量子点，利用量子点的限域效应和量子隧道效应使半导体带隙中产生中间能带，从而拓宽吸光范围，并通过碰撞电离效应，可以使吸收的一个高能粒子产生多个电子-空穴对即多激子效应；还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子点贝塔伏特电池，其特征在于，其包括置于底部电极(5)和顶部电极(1)之间的半导体纳米管阵列薄膜(4)，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层(7)，所述量子点层(7)上又涂有固态同位素辐射源层(3)，或者所述量子点层(7)所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。

【技术特征摘要】
2017.12.13 CN 20171132967081.一种量子点贝塔伏特电池，其特征在于，其包括置于底部电极(5)和顶部电极(1)之间的半导体纳米管阵列薄膜(4)，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层(7)，所述量子点层(7)上又涂有固态同位素辐射源层(3)，或者所述量子点层(7)所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。2.根据权利要求1所述的量子点贝塔伏特电池，其特征在于，所述固态同位素辐射源层(3)充满所述量子点层(7)所围成的管状空间。3.根据权利要求1所述的量子点贝塔伏特电池，其特征在于，所述半导体纳米管阵列薄膜(4)是由多个相互平行的纳米管并排排列而成。4.根据权利要求1所述的量子点贝塔伏特电池，其特征在于，所述量子点层(7)和所述同位素辐射源层(3)为连续层或离散层或二者的组合。5.根据权利要求1所述的量子点贝塔伏特电池，其特征在于，所述半导体纳米管阵列薄膜(4)为选自二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化镉、五氧化二铌、氧化铈、三氧化二镓、二氧化锡、三氧化钨、碳化硅、氮化镓、铟镓氮、磷化镓、氮化铟、氮化铝、磷化铝、砷化铝等、二硫化钼、硫化镉、硫化锌、硫化镁、硒化锌、硒化镁或金刚石的禁带宽度大于2.3eV的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈继革，伞海生，
申请(专利权)人：深圳贝塔能量技术有限公司，厦门大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44