[實(shí)用新型]基于液態(tài)半導(dǎo)體的夾層結(jié)構(gòu)核電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220077074.1
• 申請(qǐng)日: 2012-03-05
• 公開（公告）號(hào): CN202549322U
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯曉斌;劉云鵬;丁丁;陳達(dá)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G21H1/06
• 分類號(hào): G21H1/06
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀(jì)昌

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于微能源領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于液態(tài)半導(dǎo)體的夾層結(jié)構(gòu)核電池，可用于將放射性同位素的衰變能直接轉(zhuǎn)化為電能。

背景技術(shù)

微型化、集成化是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的大趨勢，能源供應(yīng)已成為制約微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展的瓶頸,其微型化問題受到廣泛的重視。常見的微能源有微型太陽能電池、微型燃料電池等，由于壽命短、受環(huán)境影響大等，難以滿足MEMS對(duì)能源的要求，而核電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠彌補(bǔ)這些不足，且易微型化、易于MEMS集成等已成為微能源研究的重要方向，并且在醫(yī)學(xué)、軍事、航空、通用民用領(lǐng)域等都有廣闊的應(yīng)用前景。

2009年，Wacharasindhu等報(bào)道了一種采用液態(tài)半導(dǎo)體硒制備核電池的方法，得到的結(jié)果為：開路電壓為V_OC=899mV，短路電流為I_SC=0.107μA，最大輸出功率P_max=16.2nW，能量轉(zhuǎn)化率為=1.24%?(T.?Wacharasindhu,?J.W.?Kwon,?D.E.?Meier,?J.D.?Robertson.?Liquid-semiconductor-based?micro?power?source?using?radioisotope?energy?conversion.?Solid-State?Sensors,?Actuators?and?Microsystems?Conference,?2009.?TRANSDUCERS?2009.?International.?)。該核電池采用的放射源為³⁵S，其半衰期僅有87天，難以發(fā)揮出核電池長壽命的優(yōu)勢，而選取其他類型的長壽命放射源又難以與硒共晶形成熔點(diǎn)較低的液態(tài)半導(dǎo)體，這是該核電池設(shè)計(jì)的一大缺陷。

2011年，Qiao等報(bào)道了一種基于寬禁帶半導(dǎo)體4H-SiC的核電池，采用的放射源為⁶³Ni和²⁴¹Am，得到的能量轉(zhuǎn)化率分別為0.5%和0.1%（D.?Y.?Qiao,?X.?J.?Chen,?Y.?Ren,?W.?Z.?Yuan.?A?Micro?Nuclear?Battery?Based?on?SiC?Schottky?Barrier?Diode[J].?J.?Microelectromech.?S.?201,?20(3):?685-690.）盡管該核電池的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)使用的半導(dǎo)體4H-SiC耐輻射性能強(qiáng)，但因?yàn)槭枪虘B(tài)，輻射損傷仍然不容忽視。

目前國內(nèi)外所有的PN結(jié)或肖特基結(jié)核電池采用的半導(dǎo)體基本均為固態(tài)，如Si、SiC等。盡管SiC為第三代半導(dǎo)體技術(shù)的代表之一，抗輻射能力強(qiáng)，但為固態(tài)，放射性同位素的衰變粒子（β、α、γ等）會(huì)破壞固體晶格，降低核電池壽命。而目前已有的液態(tài)半導(dǎo)體核電池因使用的放射性同位素源壽命過短，難以得到實(shí)際應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容

解決的技術(shù)問題：本實(shí)用新型主要是為了解決半導(dǎo)體輻射損傷嚴(yán)重和電池壽命過短的問題，提供一種基于液態(tài)半導(dǎo)體的夾層結(jié)構(gòu)核電池，該電池采用液態(tài)半導(dǎo)體及長壽命放射源型同位素源，并設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)，全面提高電池輸出性能和提升其應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)方案：

一種基于液態(tài)半導(dǎo)體的夾層結(jié)構(gòu)核電池，包括襯底、金屬層、液態(tài)半導(dǎo)體、絕緣材料、放射性金屬和非放射性金屬，所述放射性金屬與非放射性金屬為一體結(jié)構(gòu)，且放射性金屬設(shè)于非放射性金屬中間；絕緣材料、金屬層和襯底均由近及遠(yuǎn)依次設(shè)于上述一體結(jié)構(gòu)的上下兩面，所述絕緣材料為中空結(jié)構(gòu)，液態(tài)半導(dǎo)體設(shè)于絕緣材料的空腔內(nèi)；所述放射性金屬與液態(tài)半導(dǎo)體形成肖特基接觸或歐姆接觸、金屬層與液態(tài)半導(dǎo)體形成歐姆接觸或肖特基接觸；所述放射性金屬的面積與絕緣材料的空腔接觸面積一致；所述放射性金屬和非放射性金屬的表面積之和分別與襯底、金屬層一致；所述絕緣材料與金屬層接觸部位的外周輪廓所轄表面積小于金屬層的表面積。

所述液態(tài)半導(dǎo)體所用材料含有Ⅵ族元素，所述Ⅵ族元素為氧、硫、硒和碲。

所述液態(tài)半導(dǎo)體所用材料是硒、碲、Ⅵ族元素的共晶混合體或Ⅵ族元素與金屬的合金。

所述襯底為玻璃，所述玻璃的耐溫值不低于1000℃。

所述金屬層為鎳或鋁。

所述放射性金屬為放射性金屬鎳-63或放射性金屬钷-147。

所述非放射性金屬為非放射性金屬鎳或非放射性金屬钷。

所述絕緣材料為氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。