一种基于β辐射伏特效应的同位素电池制造技术

本发明专利技术提供的一种基于β辐射伏特效应的同位素电池，根据换能单元个数不同可以分为单层同位素电池、双层同位素电池、三层同位素电池，甚至一直扩展到N层同位素电池(包含N个换能单元和N

【技术实现步骤摘要】
一种基于
β
辐射伏特效应的同位素电池


[0001]本专利技术涉及同位素电池领域，特别涉及一种基于β辐射伏特效应的同位素电池。

技术介绍

[0002]放射性同位素电池使用寿命长、不受环境干扰、稳定可靠、无需人工干预，在航空航天、国防军事、深海极地探测和医疗安全等领域具有重要应用。基于β辐射伏特效应的同位素电池的原理是利用半导体换能单元内建电场分离辐生电子
‑
空穴对，将放射性同位素源衰变释放的粒子能量转换为电能。与其他同位素电池相比，其转换效率高、结构紧凑、体积小、重量轻。
[0003]现有β辐射伏特效应同位素电池的研究涉及多个方面，包括半导体材料的电学性能研究、器件结构参数优化设计、电池输出特性研究、环境因素影响和同位素源的选择等。选用合适的半导体换能材料一定程度上有助于提高β辐射伏特效应同位素电池的输出性能。单晶Si制备及掺杂工艺成熟、成本低，率先成为β辐射伏特效应同位素电池的换能材料，由于Si材料禁带宽度窄，抗辐照能力差，Si基器件漏电流较大，使得Si基β辐射伏特效应同位素电池的能量转换效率很难有更大的突破。比如，2018年，Liu等制备了p
‑
n结型
63
Ni
‑
Si同位素电池，在4.90mCi/cm
263
Ni源辐照下，电池短路电流密度为17.5nA/cm2，开路电压仅0.085V，最大输出功率密度为0.55nW/cm
2[1]。近年来，β辐射伏特效应同位素电池换能材料的选择开始从Si材料转向其他宽禁带半导体材料。2011年，Qiao等制备了4H
‑
SiC基肖特基结型同位素电池，在4mCi/cm
263
Ni源辐照下，电池短路电流密度为13.82nA/cm2，开路电压为0.26V，最大输出功率密度为2.02nW/cm2，能量转换效率为0.5％
[2]。同年，Lu等制备了GaN基肖特基结型同位素电池，在30μCi/mm
263
Ni源辐照下，电池短路电流密度为1.2nA/cm2，开路电压为0.1V，能量转换效率为0.32％
[3]。2012年，Li等设计并制备出GaAs基P
+
PINN
+
型同位素电池，在10mCi/cm
263
Ni源辐照下，电池短路电流密度为0.36nA/cm2，开路电压为324mV，最大输出功率密度为0.071nW/cm
2[4]。2016年，Delfaure等设计并制备了一种金刚石基(PIM)型薄膜电池，在20keV电子束照射下，电池短路电流为7.12μA，开路电压为1.85V，最大输出功率为10.48μW，能量转换效率为9.4％
[5]。
[0004]理论上，宽禁带半导体由于漏电流较低，更适合作为同位素电池的换能材料，同位素电池能量转换效率随着半导体材料禁带宽度的增加而增加，因此，SiC、GaN以及金刚石等半导体材料已经被成功应用于β辐射伏特效应同位素电池的制作，但在现有的工艺条件下，部分宽禁带半导体材料由于材料生长质量、掺杂工艺、成本等问题，并不是最佳选择，其大多数宽禁带半导体材料中载流子扩散长度都很小，并不利于辐生载流子的输运与收集，因此有必要在实际工艺、成本以及材料属性之间做取舍；在理论建模方面，β辐射同位素电池多是采用蒙特卡罗方法模拟β粒子的输运行为，明确其在换能材料中的能量沉积分布规律，通过求解载流子输运方程得到电池输出参数的解析表达式，其中预测电池输出性能的理论模型做了大量的理想化近似和假设，与实际情况偏离较大，导致器件结构优化不理想，器件实验样品输出性能偏低。因此，目前β辐射伏特效应同位素电池还存在能量转换效率偏低、
输出电流小、输出功率低的问题。
[0005]现有的技术主要通过半导体材料的电学性能研究、器件结构参数优化设计、电池输出特性研究、环境因素影响和同位素源的选择等来提升单一器件的输出特性。而大多数半导体材料发生原子位移的损伤阈值较低，当同位素衰变释放的辐射能量过高时，会使半导体材料产生缺陷而导致器件性能退化，因此大多数研究基本都采用低能量的β辐射源，这严重影响β辐射伏特效应同位素电池推广和使用，因此探索新技术、新方法和新结构，提升β辐射伏特效应同位素电池输出性能，具有重要科学意义和应用价值。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术实施例中提供一种基于β辐射伏特效应的同位素电池。
[0007]本专利技术实施例中提供一种基于β辐射伏特效应的同位素电池，包括绝缘壳体、绝缘限位卡具以及电池模组，所述电池模组位于所述绝缘壳体内，所述绝缘限位卡具夹持所述所述电池模组并固定在所述绝限壳体内，其中所述电池模组具有至少一层具有β辐射伏特效应的同位素电池。
[0008]作为一种可选的方案，所述绝缘壳体为具有一开口的矩形容器，沿所述开口相对的在所述所述绝缘壳体的两个内壁上设置用于放置所述绝缘限位卡具的限位槽，所述绝缘限位卡具与所述限位槽扣合后固定所述电池模组。
[0009]作为一种可选的方案，所述绝缘限位卡具包括第一限位卡具和第二限位卡具，所述第一限位卡具和所述第二限位卡具具有用于限位所述电池模组的安装缺口，所述安装缺口与所述电池模组相抵靠。
[0010]作为一种可选的方案，所述电池模组为单层同位素电池，所述电池模组由下至上依次包括热沉、第一过渡电极、第二过渡电极、焊料、第一半导体换能单元、第一放射性同位素组件和金丝，所述第一过渡电极设置在所述热沉上，所述焊料设置在所述第一过渡电极上，所述第一半导体换能单元设置在所述焊料上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一半导体换能单元上，所述第一半导体换能单元包括第一N面电极和第一P面电极，所述第一N面电极与所述焊料连接，所述第一P面电极通过所述金丝与所述第二过渡电极连接。
[0011]作为一种可选的方案，所述电池模组为带辐致荧光
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光伏材料的单层同位素电池，所述电池模组还包括第一闪烁材料层，所述第一闪烁材料层设置在所述第一半导体换能单元上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一闪烁材料层。
[0012]作为一种可选的方案，所述电池模组为双层同位素电池，所述电池模组由下至上依次包括热沉、第一过渡电极、第二过渡电极、焊料、第一半导体换能单元、第二半导体换能单元、第一放射性同位素组件、第一金丝、第二金丝和第三金丝，所述第一过渡电极和所述第二过渡电极设置在所述热沉上，所述焊料设置在所述第一过渡电极上，所述第一半导体换能单元设置在所述焊料上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一半导体换能单元上，所述第二半导体换能单元设置在所述第一放射性同位素组件上，所述第一半导体换能单元包括第一N面电极和第一P面电极，所述第一N面电极与所述焊料连接，所述第一P面电极通过所述第一金丝与所述第二过渡电极连接，所述第二半导体换能单元包括第二N面电极和第二P面电极，所述第二P面电极通过第二金丝与所述第二过渡电极连接，所述第二N面电极与所述第一过渡电极通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，包括绝缘壳体、绝缘限位卡具以及电池模组，所述电池模组位于所述绝缘壳体内，所述绝缘限位卡具夹持所述所述电池模组并固定在所述绝限壳体内，其中所述电池模组具有至少一层具有β辐射伏特效应的同位素电池。2.根据权利要求1所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述绝缘壳体为具有一开口的矩形容器，沿所述开口相对的在所述所述绝缘壳体的两个内壁上设置用于放置所述绝缘限位卡具的限位槽，所述绝缘限位卡具与所述限位槽扣合后固定所述电池模组。3.根据权利要求2所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述绝缘限位卡具包括第一限位卡具和第二限位卡具，所述第一限位卡具和所述第二限位卡具具有用于限位所述电池模组的安装缺口，所述安装缺口与所述电池模组相抵靠。4.根据权利要求1所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述电池模组为单层同位素电池，所述电池模组由下至上依次包括热沉、第一过渡电极、第二过渡电极、焊料、第一半导体换能单元、第一放射性同位素组件和金丝，所述第一过渡电极设置在所述热沉上，所述焊料设置在所述第一过渡电极上，所述第一半导体换能单元设置在所述焊料上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一半导体换能单元上，所述第一半导体换能单元包括第一N面电极和第一P面电极，所述第一N面电极与所述焊料连接，所述第一P面电极通过所述金丝与所述第二过渡电极连接。5.根据权利要求4所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述电池模组为带辐致荧光
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光伏材料的单层同位素电池，所述电池模组还包括第一闪烁材料层，所述第一闪烁材料层设置在所述第一半导体换能单元上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一闪烁材料层。6.根据权利要求1所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述电池模组为双层同位素电池，所述电池模组由下至上依次包括热沉、第一过渡电极、第二过渡电极、焊料、第一半导体换能单元、第二半导体换能单元、第一放射性同位素组件、第一金丝501、第二金丝502和第三金丝，所述第一过渡电极和所述第二过渡电极设置在所述热沉上，所述焊料设置在所述第一过渡电极上，所述第一半导体换能单元设置在所述焊料上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一半导体换能单元上，所述第二半导体换能单元设置在所述第一放射性同位素组件上，所述第一半导体换能单元包括第一N面电极和第一P面电极，所述第一N面电极与所述焊料连接，所述第一P面电极通过所述第一金丝与所述第二过渡电极连接，所述第二半导体换能单元包括第二N面电极和第二P面电极，所述第二P面电极通过第二金丝502与所述第二过渡电极连接，所述第二N面电极与所述第一过渡电极通过所述第三金丝连接。7.根据权利要求6所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述电池模组为带辐致荧光
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光伏材料的双层同位素电池，所述电池模组还包括第一闪烁材料层和第二闪烁材料层，所述第一闪烁材料层设置在所述第一半导体换能单元上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一闪烁材料层上，所述第一放射性同位素组件上设置有所述第二闪烁材料层，所述第二闪烁材料层上设置所述第二半导体换能单元，所述第二P面电极与所述第二闪烁材料层相接触。
8.根据权利要求1所述的基于β辐射伏特效应的同位素电池，其特征在于，所述电池模组为三层同位素电池，所述电池模组由下至上依次包括热沉、第一过渡电极、第二过渡电极、焊料、第一半导体换能单元、第二半导体换能单元、第三半导体换能单元、第一放射性同位素组件、第二放射性同位素组件402、第一金丝、第二金丝502、第三金丝、第四金丝和第五金丝，所述第一过渡电极和所述第二过渡电极设置在所述热沉上，所述焊料设置在所述第一过渡电极上，所述第一半导体换能单元设置在所述焊料上，所述第一放射性同位素组件放置在所述第一半导体换能单元上，所述第二半导体换能单元设置在所述第一放射性同位素组件上，所述第二半导体换能单元上设置所述第二放射性同位素组件402，所述第二放射性同位素组件上设有所述第三半导体换能单元，所述第一半导体换能单元包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，贾鹏，秦莉，雷宇鑫，宋悦，王玉冰，邱橙，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：