三维纳米结构氚伏电池制造技术

三维纳米结构氚伏电池，涉及一种同位素电池。呈三明治结构，从上到下依次为：顶部电极、三维纳米结构半导体和底部电极；所述三维纳米结构半导体是由半导体材料构成的三维网格框架结构，网格框架之间设有孔道间隙，三维纳米结构半导体设于底部电极与顶部电极之间，三维纳米结构半导体为氚基同位素源集成的三维纳米结构半导体，所述氚基同位素源贮存于半导体网格框架之间孔道间隙中的氚化金属，或为氚与三维纳米结构半导体材料复合形成的氚化半导体，或为氚化金属与氚化半导体的共存结构；所述氚化金属与三维纳米结构半导体形成肖特基接触或欧姆接触，同时还与顶部电极或底部电极连接。

【技术实现步骤摘要】
三维纳米结构氚伏电池
本专利技术涉及一种同位素电池，尤其是涉及一种利用三维纳米结构半导体将同位素氚的贝塔辐射能直接转换为电能的三维纳米结构氚伏电池。
技术介绍
深海、极地等极端地区具有环境恶劣、到达困难等问题。在这些地方，以前人类活动往往较少。近年来，这些地区由于内含资源丰富、地理位置重要、无所属划分等原因，世界上各国都大力开展相关研究工作。例如，通过建立深海观测网络，可对深海的温度、地貌、洋流等环境参数进行记录，进而绘制深海地图，这些深海地理数据参数具有极大的科学、经济和军事价值。这些地区都具有无人值守、维护不方便、环境苛刻等特点。因此，对建立在该地区的传感监测设备和无线通讯设备提出了长期免维护的要求。其中，能源系统是这些装备中对寿命和免维护要求最典型的设备。常规的太阳能、化学燃料能、海洋能、风能、温差能等供电方式由于受环境影响、定期维护和体积重量大等问题，无法满足传感器监测和通讯设备的供电需求，成为制约监测设备部署的瓶颈问题。为了解决装备中能源系统的“免维护”问题，近几年科研人员想到了“核能源”。核聚变和核裂变能产生巨大的能量，但装置都非常巨大和复杂，运行维护要求很高。然而，利用同位素衰变产生的辐射能制造的电池具有寿命长、不受环境影响、免维护等特点，是环境监测系统最理性的候选能源。同位素电池有温差、热离子、直接充电、热机和辐射伏特效应等几种转换机制，考虑到小型化和能量转换效率，辐射伏特效应转换方式是理想的候选。辐射伏特效应电池是利用辐射粒子的动能与半导体结构作用直接产生电能，能量密度是锂电池的上万倍，电池理论效率可达30％。从同位素辐射源的使用上看，主要考虑三个因素：1)β粒子平均能量；2)同位素源半衰期；3)同位素来源和制造成本。由于半导体的辐射损伤阈值是250～300KeV，因此高辐射动能的β源，如氪-85、钌-106、锶-90等都会造成电池性能的衰减。考虑到电池寿命和平均能量，同位素源的半衰期必须超过5年，因此比较合适的同位素源是氚(平均能量＝5.7KeV，半衰期12.3年)和63Ni(平均能量＝17.4KeV，半衰期100年)。由于63Ni来源有限，价格非常昂贵，而氚的资源非常丰富，广泛存在于核反应堆废料和海洋中。因此，氚是制备产业化贝塔伏特电池最理想的同位素。由于商业化的氚原料通常以氚气的形式存在，如何将氚集成在半导体能量转换基质中是目前迫切需要解决的问题。传统的贝塔伏特电池主要利用单晶半导体(如硅、金刚石、碳化硅和氮化镓等)制作平面型器件，通过在器件表面集成辐射源实现电池结构。这种结构的主要缺点是辐射源利用效率低，同时单位面积集成的有效辐射源数量有限。例如，俄罗斯莫斯科物理与技术研究所以金刚石为转换材料，以镍-63(63Ni)为辐射源的贝塔伏特电池，电池输出功率可达μW级，续航达100年，但效率只有1.25％(文献：Diamond&RelatedMaterials，vol.84,pp.41–47,2018)。美国CityLabs公司目前已实现氚基贝塔伏特电池的商业化，使用砷化镓(GaAs)晶体为转换材料，将100居里的氚集成在器件表面并实现多片电池级联，电池输出功率可达100μW左右,但实际效率不到3％(https://citylabs.net/)。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种三维纳米结构氚伏电池。本专利技术呈三明治结构，从上到下依次为：顶部电极、三维纳米结构半导体和底部电极；所述三维纳米结构半导体是由半导体材料构成的三维网格框架结构，网格框架之间设有孔道间隙，三维纳米结构半导体设于底部电极与顶部电极之间，三维纳米结构半导体为氚基同位素源集成的三维纳米结构半导体，所述氚基同位素源贮存于半导体网格框架之间孔道间隙中的氚化金属，或为氚与三维纳米结构半导体材料复合形成的氚化半导体，或为氚化金属与氚化半导体的共存结构；所述氚化金属与三维纳米结构半导体形成肖特基接触或欧姆接触，同时还与顶部电极或底部电极连接。所述三维纳米结构半导体可以是单晶或多晶态半导体。所述半导体材料包括元素半导体和化合物半导体两大类，所述元素半导体包括锗和硅，所述化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、氧化物半导体，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体；所述第Ⅲ和第Ⅴ族化合物可选自砷化镓、磷化镓、氮化镓等；所述第Ⅱ和第Ⅵ族化合物可选自硫化镉、硫化锌等；所述氧化物半导体可选自氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化镓等；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体可选自镓铝砷、镓砷磷等。所述三维纳米结构由零维、一维、二维中的至少一种基本结构单元组成的有序或无序薄膜材料，所述薄膜材料的厚度可为1～500μm。所述基本结构单元包括纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉、纳米针、纳米笼、纳米四足体、塔状纳米结构、盘状纳米结构、星状纳米结构、支状纳米结构、中空纳米微球、纳米阵列等。为提高氚伏电池的能量转化效率，所述三维纳米结构半导体通过材料改性工艺提高载流子的产生和输运效率。所述材料改性工艺可包括在惰性气体或氢气气氛中进行高温还原退火、金属或非金属元素的离子注入掺杂、高温扩散掺杂、化学反应掺杂等。所述氚基同位素源包括氚化金属和氚化半导体，所述氚化金属为过渡金属、碱金属、碱土金属、稀土金属及其合金经高温氚化后氚与金属形成稳定的金属-氚键，导致金属层大量吸收氚形成氚化金属；所述氚化半导体是半导体材料经高温氚化后，半导体中的金属和非金属元素与氚形成稳定的化学键，导致氚与半导体材料复合形成的氚化半导体。所述过渡金属包括钛、锆、钪、钯、钴等，所述碱金属包括锂等，所述碱土金属包括铍和镁等，所述稀土金属包括镧、铀、铒等，所述合金包括锆钴、锆钒、镧镍等。所述金属-氚键包括钛-氚键、锂-氚键、镁氚键等，所述半导体中的金属和非金属元素与氚形成稳定的化学键包括钛-氚键、硅-氚键、氧-氚键、硫-氚键等。所述氚化金属在三维纳米结构中的集成是利用如下工艺达到的：首先通过原子层沉积、化学气相沉积、金属溅射、金属电镀或金属蒸发等工艺在三维纳米结构半导体表面预沉积5～1000nm的金属薄层，然后在氚气氛中对金属薄层进行氚化，所用温度范围为100～800℃，压力范围为100～1000kPa。所述氚化半导体是将三维纳米结构半导体直接在氚气氛中进行高温高压氚化。所用温度范围为100～800℃，压力范围为100～1000kPa。所述顶部电极与底部电极可选自金属电极、半导体电极、石墨电极、石墨烯电极、导电聚合物电极或导电浆料电极等。本专利技术当单个电池输出功率不足时，可以通过并联、串联或串并混合连接方式实现多组单元多层堆垛集成封装，已达到提高输出电压和输出功率的目的。本专利技术的有益效果在于：本专利技术所述氚伏电池使用的能量转换材料为三维纳米结构半导体，三维纳米结构的使用能增大同位素氚辐射源与能量转换材料的作用面积，极大地提高了同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维纳米结构氚伏电池，其特征在于呈三明治结构，从上到下依次为：顶部电极、三维纳米结构半导体和底部电极；所述三维纳米结构半导体是由半导体材料构成的三维网格框架结构，网格框架之间设有孔道间隙，三维纳米结构半导体设于底部电极与顶部电极之间，三维纳米结构半导体为氚基同位素源集成的三维纳米结构半导体，所述氚基同位素源贮存于半导体网格框架之间孔道间隙中的氚化金属，或为氚与三维纳米结构半导体材料复合形成的氚化半导体，或为氚化金属与氚化半导体的共存结构；所述氚化金属与三维纳米结构半导体形成肖特基接触或欧姆接触，同时还与顶部电极或底部电极连接。/n

【技术特征摘要】
1.三维纳米结构氚伏电池，其特征在于呈三明治结构，从上到下依次为：顶部电极、三维纳米结构半导体和底部电极；所述三维纳米结构半导体是由半导体材料构成的三维网格框架结构，网格框架之间设有孔道间隙，三维纳米结构半导体设于底部电极与顶部电极之间，三维纳米结构半导体为氚基同位素源集成的三维纳米结构半导体，所述氚基同位素源贮存于半导体网格框架之间孔道间隙中的氚化金属，或为氚与三维纳米结构半导体材料复合形成的氚化半导体，或为氚化金属与氚化半导体的共存结构；所述氚化金属与三维纳米结构半导体形成肖特基接触或欧姆接触，同时还与顶部电极或底部电极连接。


2.如权利要求1所述三维纳米结构氚伏电池，其特征在于所述三维纳米结构半导体是单晶或多晶态半导体。


3.如权利要求1所述三维纳米结构氚伏电池，其特征在于所述半导体材料包括元素半导体和化合物半导体两大类，所述元素半导体包括锗和硅，所述化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、氧化物半导体，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。


4.如权利要求3所述三维纳米结构氚伏电池，其特征在于所述第Ⅲ和第Ⅴ族化合物选自砷化镓、磷化镓、氮化镓；所述第Ⅱ和第Ⅵ族化合物选自硫化镉、硫化锌；所述氧化物半导体选自氧化锌、氧化锡、氧化钛、氧化镓；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体选自镓铝砷、镓砷磷。


5.如权利要求1所述三维纳米结构氚伏电池，其特征在于所述三维纳米结构由零维、一维、二维中的至少一种基本结构单元组成的有序或无序薄膜材料，所述薄膜材料的厚度可为1～500μm；所述基本结构单元可包括纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉、纳米针、纳米笼、纳米四足体、塔状纳米结构、盘状纳米结构、星状纳米结构、支状纳米结构、中空纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：伞海生，陈长松，
申请(专利权)人：厦门大学，厦门大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：福建;35