[發明專利]一種基于寬禁帶半導體納米管陣列薄膜結構的同位素電池

有效

• 申請號: 201410421891.8
• 申請日: 2014-08-25
• 公開（公告）號: CN104200864B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 傘海生;張強;張鴻;陳然斌
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及同位素電池，尤其是涉及一種基于寬禁帶半導體納米管陣列薄膜結構的同位素電池。

背景技術

隨著傳感網絡功能的擴大，越來越多的微傳感系統被置于特殊的環境下使用(比如海底、建筑墻體內部、人體內部、高山或海島等無人值守的地方等)，這時常規電池的更換變得極為不便，甚至于不可能。因此，體積小、能量密度高、長壽命電源的缺乏，已成為制約微型傳感系統實用化的“瓶頸”。而核電池能夠彌補這些不足，且易微型化和集成化，目前已成為微能源研究的重要方向，其在醫學、軍事、航空、通用民用領域等有廣闊的應用前景。

至今，將同位素輻射衰變能轉換為電能主要有4種轉換機制：熱電轉換、直接充電、直接能量轉換以及間接能量轉換。熱電同位素電池結構復雜，很難實現微型化。直接充電式同位素電池電流很小，驅動能力極弱。間接轉換式同位素電池轉換效率普遍偏低(<1％)。而直接轉換同位素電池通過收集輻射粒子在周圍環境電離出的帶電離子，或者在半導體材料中激發出的電子空穴對，從而實現電流倍增，極大地提高了電流密度和轉換效率，是目前微型同位素電池的主要研究方向。

在直接轉換同位素電池研究方面，美國康奈爾大學的Amit Lal等人(H.Guo,A.Lal.Nanopower betavoltaic microbatteries[J].Transducer2003,pp.36-39,Boston,MA,2003)將單晶硅p-n結表面結構加工為倒金字塔狀，利用1毫居(mCi)的鎳-63液態放射源，電池的短路電流為2.86nA，開路電壓為128mV，最大輸出功率為0.32nW。Hang Guo等人(H.Guo,H.Yang and Y.Zhang.Betavoltaic microbatteries using porous silicon[J].IEEEMEMS2007,pp.867-870,Hyogo,Jan.21-25,2007)利用多孔硅制造微型同位素電池，在钷-147輻射源照射下，開路電壓為0.12V，轉換效率為1.75％。為了提高電池轉換效率，研究人員將目光轉向寬禁帶半導體。Eiting等人(C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy,S.Rodgers,and T.George.Demonstration of aradiation resistant,high efficiency SiC betavoltaic[J].Applied Physics Letters,Vol.88(77),pp.305-319,2006)研制的SiC基β輻射伏特同位素電池，在230mCi活度的高能輻射源磷-33(最大值為249keV)的照射下，輸出的開路電壓高達2.04V，轉換效率為4.5％。Chandrashekhar等人(M.V.S.Chandrashekhar,C.I.Thomas,H.Li,M.G.Spencer and A.Lal.Demonstrationof a4H-SiC betavoltaic cell[J]Applied Physics Letters,Vol.88(7),pp.423-429,2006)研制的基于4H-SiC的p-n結微型同位素電池，在1mCi活度的鎳-63固態輻射源照射下，開路電壓達到0.72V，轉換效率達到了6％。由此可見，雖然直接轉換同位素電池能量轉化效率在逐步提高，但是仍然沒有取得大的突破，遠未達到工程應用的程度。因此，如何提高微型同位素電池的能量轉換效率是目前研究的當務之急。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于寬禁帶半導體納米管陣列薄膜結構的同位素電池。

本發明設有襯底、收集電極、半導體納米管陣列薄膜和同位素輻射源，所述半導體納米管陣列薄膜經過表面修飾和摻雜改性形成肖特基結或異質結，所述同位素輻射源位于半導體納米管陣列薄膜的納米管內，收集電極和襯底分別設于半導體納米管陣列薄膜的上表面和下表面,將半導體納米管陣列薄膜膜與分別鍍有收集電極層的上下襯底封裝。

所述基于寬禁帶半導體納米管陣列薄膜結構的同位素電池可為單層同位素電池，或并聯堆垛級聯結構同位素電池，或串聯堆垛級聯結構同位素電池，或串并聯堆垛級聯結構同位素電池，從而增大輸出電壓和電流。