[發(fā)明專利]氧化鋅PIN型核電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710098252.6
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106847361A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李瀟祎;劉玉敏;許旭;趙龍;陸景彬
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學
• 主分類號: G21H1/04
• 分類號: G21H1/04
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙)22212
• 代理人: 李榮武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核能利用技術(shù)領(lǐng)域，是將放射性能量轉(zhuǎn)化為電能的電池裝置。

技術(shù)背景

放射性同位素電池(核電池)是將放射性同位素的衰變能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。核電池具有工作穩(wěn)定、環(huán)境適應力強、使用壽命長、能量密度大、體積小等優(yōu)點，能夠在復雜環(huán)境下提供穩(wěn)定可靠的電離支持，因而在微機電系統(tǒng)、深空探索、極端地球環(huán)境研究方面具有巨大的應用前景。

目前核電池的主要種類有溫差核電池、光伏效應核電池、電容式核電池、輻射伏特效應核電池等。溫差核電池利用放射源熱效應造成的溫差進行發(fā)電，功率較大但所需放射源活度很大，轉(zhuǎn)換效率較低；光伏效應核電池用放射源發(fā)出放射性粒子打在熒光物質(zhì)上發(fā)光，利用光子與物質(zhì)的光伏效應產(chǎn)生電流，因為經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換而效率很低；電容式核電池將放射源放出的帶電粒子直接收集在極板上，形成電容器，電壓可達到很高，但收集電荷較少，因而電流較小。本發(fā)明涉及的輻射伏特效應核電池的工作原理是：利用放射源出射粒子的電離作用，在半導體材料中產(chǎn)生大量電子空穴對，電子空穴對在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下發(fā)生定向移動，在P型側(cè)收集到大量的空穴，在N型側(cè)收集到大量的電子，連接P型電極和N型電極并接入負載，回路中就會產(chǎn)生電流。

ZnO材料是一種寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，制成的核電池有較大的理論轉(zhuǎn)換效率；來源豐富，價格低廉，有很高的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性，抗輻射損傷能力強，生長溫度相對較低且污染較小，因此本發(fā)明將ZnO材料作為核電池的換能材料使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種使用ZnO材料作為換能材料的PIN型核電池，從而提高核電池電流大小，降低換能器件的輻射損傷程度，提高核電池的轉(zhuǎn)換效率。

本專利使用PIN型結(jié)構(gòu)，其原理與PN結(jié)大致相同，即利用放射源出射粒子的電離作用，主要在ZnO絕緣層(摻雜濃度很低，幾乎為本征半導體)中產(chǎn)生大量電子空穴對；由于絕緣層與兩側(cè)的n型及p型摻雜層存在濃度差，PIN結(jié)內(nèi)部會形成穿過絕緣層的內(nèi)建電場；電子空穴對在內(nèi)建電場的作用下，電子和空穴得到分離，空穴向p型摻雜層一側(cè)移動，電子向n型摻雜層一側(cè)移動，在p型摻雜層一側(cè)收集到大量的空穴，在n型摻雜層一側(cè)收集到大量的電子；連接p型電極和n型電極并接入負載，形成閉合回路，回路中就會產(chǎn)生電流。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種PIN型核電池，包括Al₂O₃襯底、n型摻雜層、絕緣層、p型摻雜層、p型接觸電極、n型接觸電極和同位素層；其中n型摻雜層為摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3～2×10²⁰cm^-3的ZnO層；p型摻雜層為摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3的ZnO層。n型摻雜層設(shè)置在Al₂O₃襯底表面上，絕緣層設(shè)置在n型摻雜層表面上，p型摻雜層設(shè)置在絕緣層表面上，n型及p型接觸電極分別設(shè)置在n型和p型摻雜層表面上。同位素層的上下表面分別設(shè)置在兩個相同的PIN結(jié)表面，且均為p型摻雜層表面與同位素層表面接觸。

所述同位素層為鍶-90、鎳-63或钷-147。

所述p型摻雜層厚度為100～300nm，絕緣層厚度為20～50μm，n型摻雜層厚度為100～300μm。

本發(fā)明可做到放射源雙面使用，具有較大的電流、較高的能量轉(zhuǎn)換效率，更高的抗輻射損傷能力，且成本相對較低，使用Al₂O₃作為電池外殼同時具有屏蔽效應，使輻射對環(huán)境的影響較小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明軸剖面示意圖。

1-p型接觸電極，2-p型摻雜層，3-絕緣層，4-同位素源，5-n型接觸電極，6-n型摻雜層，7-ZnO緩沖層，8-Al₂O₃襯底，9-電池外殼

技術(shù)方案

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1