[發明專利]一種光電核電池

有效

• 申請號: 201410172610.X
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103996733A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 湯曉斌;許志恒;劉云鵬;洪亮;陳達
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01L31/055
• 分類號: H01L31/055;G21H1/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明屬于核物理、核能應用和微能源領域，具體涉及一種光電核電池。

背景技術

目前在超低功率裝置、自動控制系統以及航天電子器件等眾多領域，尤其是一些現階段更換和維修較困難的供電節點，具備長壽命、高效穩定、小尺寸、重量輕、環境適應能力強、工作溫度范圍寬和輸出功率穩定等優勢的核電池可以很好的滿足這些特殊需求。

常規現有的核電池中，熱電溫差效應核電池體積較大，難以實現小型化；輻射伏特效應核電池由于放射源釋放的粒子是和半導體換能組件直接發生作用，半導體材料易受輻照損傷；而采用輻射能-光能-電能二次換能模式的輻致熒光核電池可以很好的規避上述不足。輻致熒光核電池的具體工作原理是將放射性同位素衰變釋放的載能粒子(如α、β粒子)轟擊熒光層，輻射激發經過電子輻射躍遷等一系列中間過程后產生熒光，再利用半導體材料收集，光子將能量傳遞給電子，在材料中產生很多電子空穴對，電子空穴對在PN結的內建電場作用下分別向兩側漂移，在P型側和N型側分別收集大量的空穴和電子，將P、N電極和負載相連接，便可形成回路產生電流。其中，熒光層相對于輻射伏特效應核電池中的半導體材料而言耐輻照性能更強。

但是，由于受放射源粒子通量、材料自吸收效應、各部件間匹配耦合程度和光學傳輸損耗等限制因素，常規結構的輻致熒光核電池的輸出功率較低，能量轉換效率不高。與此同時另一方面，作為光電換能單元的太陽能電池對太陽光的依賴性較高，在黑暗下便無輸出，受環境因素限制較大。該兩類供電方式在各自單獨工作的情況下，都存在一定的局限性，使得其應用潛質大打折扣。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種光電核電池，通過在密封外殼上設置透明窗體，同時將透明的氣態氚源置于窗體的下端、電池盒頂端，利用氚釋放的β粒子激發熒光層，產生輻致熒光效應釋放熒光。則該光電核電池便可在有光的情況下充分利用透過窗體的太陽光，結合光致熒光和輻致熒光兩種效應，將產生的熒光一起作用于底端的光伏組件，利用光電效應實現電能輸出。即使在無太陽光的黑暗環境下，輻致熒光效應仍可繼續發揮作用，使電池持續服役。

本發明為解決上述技術問題，采用如下技術方案：

一種光電核電池，所述核電池包括密封外殼、放射源層、半導體光伏組件、熒光層，其中，所述半導體光伏組件包括依次連接的前電極層、半導體層、背電極層，所述密封外殼設一透明窗體，所述的放射源層、熒光層、半導體光伏組件設置于密封外殼內部，并通過密封外殼固定，其中熒光層位于放射源層與半導體光伏組件之間，玻璃基底與半導體光伏組件的前電極層連接，熒光粉層與放射源層連接，所述放射源層外部設置玻璃密封結構，所述玻璃密封結構與密封外殼的透明窗體連接。

所述放射源為氣態氚源，填充在一密封的硼硅酸鹽玻璃彈性透明包囊中，設于玻璃密封結構內。

所述密封外殼為陶瓷材料，所述透明窗體為菲涅爾聚光透鏡，且透鏡表面涂覆一層厚度均勻的由TiO₂/Al₂O₃材料制成的增透膜。

所述熒光層通過如下方法制備：

步驟1、在硅酸鉀溶液中加入熒光粉充分攪拌，再加入硝酸鋇溶液,繼續攪拌，然后將混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；

步驟2、待玻璃基底上沉積熒光粉之后，將其取出并烘干，待其自然冷卻至常溫即可獲得所需熒光層。

進一步的，步驟1中所述的硅酸鉀溶液質量濃度為0.5-2％；

所述的硝酸鋇溶液質量濃度為0.1-0.5％；

所述的硅酸鉀溶液與硝酸鋇溶液的容積比為10:1-20:1，與熒光粉的質量與熒光層的厚度根據如下公式設置：m＝ρsh，其中m為熒光粉的質量，ρ為熒光粉的密度，s為玻璃器皿的底面積，h為熒光層的厚度；

所述的自然沉降時間為1-5h；

步驟2中的烘干溫度為200-300℃，烘干時間為0.5h。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1、本發明的放射源為氣態氚，透光性較好，使得結合太陽光共同作用成為可能，增大電池的輸出功率，大大提高了電池的能量密度，拓展了電池的應用領域，同時放射性同位素氚的半衰期較長，保證了電池能夠長時間工作。

2、本發明核電池采用疊層結構，太陽光和放射源釋放的粒子可以應用同一個半導體光伏組件來完成能量轉換機制，不僅結構緊湊，激發源的利用率高，而且減少了器件的使用數量，降低了電池本身的內電阻和漏電流，有效降低了電池的故障率。