[發(fā)明專利]非晶硅多結(jié)核電池

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710002565.3
• 申請(qǐng)日: 2007-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101236795A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李沅民;馬昕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京行者多媒體科技有限公司
• 主分類號(hào): G21H1/06
• 分類號(hào): G21H1/06
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于核電池，特別是和β射線有關(guān)的核電池的描述。基于由非晶硅薄膜構(gòu)成的具有p-i-n型結(jié)構(gòu)的核電池的原始能量，由β輻射提供。本發(fā)明特別涉及到一個(gè)使得多結(jié)氚化非晶硅β伏電池穩(wěn)定性極大提高，從而大大延長(zhǎng)其可靠供電的周期的技術(shù)。

背景技術(shù)

近年來(lái)全世界廣泛流行各種各樣的電子器件，這對(duì)于電池的需求量大大增加。通常使用的化學(xué)電池的壽命大概是幾個(gè)小時(shí)，且化學(xué)電池又比較笨重，使用完之后的廢電池很難處理，而且化學(xué)電池的儲(chǔ)存壽命有限，所以對(duì)另類的可攜帶的且壽命長(zhǎng)的電源有很強(qiáng)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(gè)或多個(gè)連在一起的可以提供電源的單位，所述這種“核電池”同時(shí)也叫做“原子能電池”，指的是這種電池的能量來(lái)源于存儲(chǔ)于原子核中的能量。儲(chǔ)存于原子核當(dāng)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(fā)明是基于將核蛻變所釋放的核輻射(β射線)，用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成電能。幾十年來(lái)一些這種依靠放射性蛻變的核電池，在單步轉(zhuǎn)換過(guò)程或雙步轉(zhuǎn)換過(guò)程的基礎(chǔ)上被發(fā)明。單步轉(zhuǎn)換原子能電池直接將核輻射轉(zhuǎn)換成電能，雙步轉(zhuǎn)換電池將核輻射能轉(zhuǎn)換成中間的一種能源(如熱或光)，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電能。

單步轉(zhuǎn)換類型的核電池包括β伏電池，它的工作原理是一個(gè)常規(guī)的晶態(tài)半導(dǎo)體p-n節(jié)暴露在核輻射下，導(dǎo)致生成了電子空穴對(duì)，從而誘發(fā)低電壓電流。其中一個(gè)例子是在美國(guó)專利號(hào)(2745973及4024420)中提供的。另一個(gè)單步轉(zhuǎn)換核電池的例子是一個(gè)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(gè)電極組成，兩個(gè)電極在氣體之間建立電場(chǎng)，核輻射源可以是氣態(tài)或固態(tài)的。還有一個(gè)例子，是高電壓的真空電池，其中的一個(gè)電極構(gòu)成核輻射帶電離子源，同時(shí)另一個(gè)電極具有高接收效率和低再次放射性能，這樣導(dǎo)致對(duì)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(zhuǎn)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(gè)熒光材料上，使其轉(zhuǎn)換成光能，然后將半導(dǎo)體p-n節(jié)暴露在光照之下，從而依光伏效應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)換成熱能，然后將熱能通過(guò)熱電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成電能。光伏和光熱核電池的例子，包括如下美國(guó)的專利，它們的號(hào)碼是4628143；4900368和5008579。

核能轉(zhuǎn)換成電能通常效率很低，這種單步核電轉(zhuǎn)換過(guò)程效率通常在5％之下，雙步核電池轉(zhuǎn)換過(guò)程效率更低。在現(xiàn)實(shí)中對(duì)核電池轉(zhuǎn)換的限制來(lái)源于核能在達(dá)到半導(dǎo)體之前所受到的能量損失，及核輻射在半導(dǎo)體材料中受到的進(jìn)一步衰減，最終只有很小一部分可用來(lái)在p-n節(jié)附近產(chǎn)生可被收集的電子空穴對(duì)。

為了解決上述困難，美國(guó)專利號(hào)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(gòu)成是將由輻射性的氚用化學(xué)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(jiǎn)稱為非晶硅)。在氚化非晶硅里氚原子以化學(xué)鍵的方式均勻的分布在硅的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，另一種考慮這種材料的著眼點(diǎn)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(gè)基于現(xiàn)有技術(shù)的由氚化非晶硅p-i-n結(jié)構(gòu)組成的核電池。它的構(gòu)成是p層16(硼摻雜的″p型區(qū)域″)，一個(gè)n層19(一個(gè)由磷摻雜的″n型區(qū)域″)，和一個(gè)i層18(本征或摻雜區(qū)域)。由非晶硅構(gòu)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(gòu)成的i層18的兩側(cè)。根據(jù)這個(gè)器件的設(shè)計(jì)，大多數(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)。其設(shè)想是將氚直接嵌入到將核能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體里，從而減少核放射能量的損失，并且簡(jiǎn)化核電池的結(jié)構(gòu)。

不幸的是基于氚化非晶硅β伏核電池的表現(xiàn)過(guò)于不穩(wěn)定.，電力轉(zhuǎn)化功率還沒(méi)達(dá)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(gè)納伏范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(gè)星期內(nèi)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(dāng)氚通過(guò)β蛻變釋放電子轉(zhuǎn)化成氦時(shí)，氦對(duì)氚衰退的強(qiáng)反作用，非晶硅i層18的電子質(zhì)量迅速退化。

因此，傳統(tǒng)氚化非晶硅i層電池實(shí)用性不大。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述考慮，申請(qǐng)人擬訂了本發(fā)明的目的是：提供一個(gè)基于非晶硅p-i-n結(jié)構(gòu)的，具有極大改善穩(wěn)定性的β伏核電池。