[發明專利]非晶硅多結核電池

無效

• 申請號: 200710002565.3
• 申請日: 2007-01-29
• 公開（公告）號: CN101236795A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 李沅民;馬昕
• 申請（專利權）人: 北京行者多媒體科技有限公司
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是關于核電池，特別是和β射線有關的核電池的描述。基于由非晶硅薄膜構成的具有p-i-n型結構的核電池的原始能量，由β輻射提供。本發明特別涉及到一個使得多結氚化非晶硅β伏電池穩定性極大提高，從而大大延長其可靠供電的周期的技術。

背景技術

近年來全世界廣泛流行各種各樣的電子器件，這對于電池的需求量大大增加。通常使用的化學電池的壽命大概是幾個小時，且化學電池又比較笨重，使用完之后的廢電池很難處理，而且化學電池的儲存壽命有限，所以對另類的可攜帶的且壽命長的電源有很強的需求。原子能電池就是一種解決辦法。

所述這種“電池”的含義指的是一個或多個連在一起的可以提供電源的單位，所述這種“核電池”同時也叫做“原子能電池”，指的是這種電池的能量來源于存儲于原子核中的能量。儲存于原子核當中的核能量通常由如下三種方式之一得到釋放：核裂變、核劇變和放射性蛻變。目前本發明是基于將核蛻變所釋放的核輻射(β射線)，用半導體結構轉換成電能。幾十年來一些這種依靠放射性蛻變的核電池，在單步轉換過程或雙步轉換過程的基礎上被發明。單步轉換原子能電池直接將核輻射轉換成電能，雙步轉換電池將核輻射能轉換成中間的一種能源(如熱或光)，從而進一步轉化成電能。

單步轉換類型的核電池包括β伏電池，它的工作原理是一個常規的晶態半導體p-n節暴露在核輻射下，導致生成了電子空穴對，從而誘發低電壓電流。其中一個例子是在美國專利號(2745973及4024420)中提供的。另一個單步轉換核電池的例子是一個低電壓電池，它基于氣體離子化的原則，因此包含了電離氣體的電池，其電池是由電離的氣體和兩個電極組成，兩個電極在氣體之間建立電場，核輻射源可以是氣態或固態的。還有一個例子，是高電壓的真空電池，其中的一個電極構成核輻射帶電離子源，同時另一個電極具有高接收效率和低再次放射性能，這樣導致對核輻射的高效收集，從而制成高電壓低電流的核電器件。

雙步轉化核電池包括光伏電池，其工作原理是先將核輻射照在一個熒光材料上，使其轉換成光能，然后將半導體p-n節暴露在光照之下，從而依光伏效應產生低壓電流。還有一種雙步核電池是熱電型的，其工作原理是先將核輻射轉換成熱能，然后將熱能通過熱電效應將其轉換成電能。光伏和光熱核電池的例子，包括如下美國的專利，它們的號碼是4628143；4900368和5008579。

核能轉換成電能通常效率很低，這種單步核電轉換過程效率通常在5％之下，雙步核電池轉換過程效率更低。在現實中對核電池轉換的限制來源于核能在達到半導體之前所受到的能量損失，及核輻射在半導體材料中受到的進一步衰減，最終只有很小一部分可用來在p-n節附近產生可被收集的電子空穴對。

為了解決上述困難，美國專利號為5606213的專利提出了基于非晶硅的β伏電池。這種核電池的構成是將由輻射性的氚用化學辦法摻入到非晶硅材料之中。通常的非晶硅里含有氫(氫化非晶硅通常也簡稱為非晶硅)。在氚化非晶硅里氚原子以化學鍵的方式均勻的分布在硅的整個網絡中，另一種考慮這種材料的著眼點就是在氫化非晶硅里有一些氫被氚代替了。

圖1演示了一個基于現有技術的由氚化非晶硅p-i-n結構組成的核電池。它的構成是p層16(硼摻雜的″p型區域″)，一個n層19(一個由磷摻雜的″n型區域″)，和一個i層18(本征或摻雜區域)。由非晶硅構成的p層16和n層19也可以基于氚化非晶硅，它們被放置在由氚化非晶硅構成的i層18的兩側。根據這個器件的設計，大多數的β射線能源是由氚化非晶硅的i層18提供，它的厚度比p層16和n層19至少要大一個數量級。其設想是將氚直接嵌入到將核能轉換成電能的半導體里，從而減少核放射能量的損失，并且簡化核電池的結構。

不幸的是基于氚化非晶硅β伏核電池的表現過于不穩定.，電力轉化功率還沒達到1％。具體衰退速度取決于i層18中氚的濃度，通常濃度為10％。在氚化非晶硅i層18中，p-i-n型β伏核電池的電壓只在幾十個納伏范圍內，遠遠低于一微伏。這樣低的電壓不能用作任何普通器件的電源電池。

此外，這種電池的功效隨時間衰退得很快。相比于期望值為12年的使用壽命，電池的輸出功率在電池制成之后的幾個星期內就衰退了50％以上，具體衰退速度取決于i層18中氚的含量。顯然地，由于當氚通過β蛻變釋放電子轉化成氦時，氦對氚衰退的強反作用，非晶硅i層18的電子質量迅速退化。

因此，傳統氚化非晶硅i層電池實用性不大。

發明內容

基于上述考慮，申請人擬訂了本發明的目的是：提供一個基于非晶硅p-i-n結構的，具有極大改善穩定性的β伏核電池。