[發明專利]一種一體化鹵素鈣鈦礦核電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201710367795.3
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107093486B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 唐江;陳正午;牛廣達;巫浩迪
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06;H01L51/42
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 許恒恒,李智

技術領域

本發明屬于核發電領域，更具體地，涉及一種一體化鹵素鈣鈦礦核電池及其制備方法，該一體化鹵素鈣鈦礦核電池是將放射性核素衰變產生的高能粒子的能量轉化為電能輸出的電池器件。

背景技術

放射性同位素作為新型能源的一種，在當前全球能源轉型之際顯得尤為重要。與其他新型能源相比，如太陽能、風能等等，放射性同位素的衰變是原子的自發的過程，釋放能量的過程以及半衰期均不受外界的影響；衰變釋放的能量密度巨大，例如單個Cs-137原子衰變釋放的平均總能量就高達850keV，因此核電池能夠在各種多變環境下保證穩定、長久地工作，在心臟起搏器、極端探測以及軍事航天等領域具有十分巨大的應用前景。

相比與市面上常規的鋰電池，核電池具有工作壽命長、能量密度高、維護成本低等優勢。目前市場上的核電池處于起步階段，發展比較成熟的核電池的原理是基于钚的衰變產生的α粒子轟擊半導體材料所導致溫差放電，這種結構的核電池體積大，成本高，而且熱電轉換效率較難提升，因此常用于航天探測等不計成本的領域；在其他專利中也介紹了一些核電池，大多數都是以硅/鍺電池為主體，將放射性同位素單獨作為一層薄膜來提供能量。事實上硅鍺的原子序數較小，對高能粒子的阻抗較小，換言之高能粒子的能量只有一小部分被硅鍺器件所利用，而放射同位素采用薄膜結構會造成大部分衰變能量的浪費，進一步降低了總能量轉換效率，同時也是變相的增加了屏蔽輻射的難度，導致屏蔽殼厚重，不利于核電池的市場化。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種一體化鹵素鈣鈦礦核電池及其制備方法，其中通過對該核電池關鍵的光電效應材料及其結構、組成等進行改進，將放射性同位素分散于光電效應材料形成一體式的結構，與現有技術相比能夠有效解決能量利用率低等的問題，本發明中一體化鹵素鈣鈦礦核電池可將衰變釋放的能量直接轉為電能(即鹵素鈣鈦礦通過吸收放射性同位素衰變釋放出的高能射線，從而激發電子－空穴對，產生光電效應)，提高了放射能量的利用率的同時也降低了二次能量轉換的損失；并且，本發明通過控制鹵素鈣鈦礦層的厚度，能夠進一步保證電子、空穴的傳輸效果，確保能量轉換效率。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種一體化鹵素鈣鈦礦核電池，其特征在于，包括一體化同位素—鹵素鈣鈦礦層(4)，以及分別位于該一體化同位素—鹵素鈣鈦礦層(4)兩側的電子傳輸層(3)和空穴傳輸層(5)；

其中，所述一體化同位素—鹵素鈣鈦礦層(4)是其內部分散有放射性同位素的鹵素鈣鈦礦材料層，所述放射性同位素與所述鹵素鈣鈦礦材料層之間為一體化設置；

此外，該核電池還包括至少兩個歐姆接觸電極，其中一個所述歐姆接觸電極與所述電子傳輸層(3)電連接，另一個所述歐姆接觸電極與所述空穴傳輸層(5)電連接；

該核電池還包括金屬外殼，該金屬外殼位于所述核電池的外部。

作為本發明的進一步優選，所述兩個歐姆接觸電極分別與所述電子傳輸層(3)、所述空穴傳輸層(5)電連接，是通過這兩個歐姆接觸電極分別與所述電子傳輸層(3)、所述空穴傳輸層(5)直接接觸得到的。

作為本發明的進一步優選，當所述電子傳輸層(3)與任意一個所述歐姆接觸電極直接接觸時，所述空穴傳輸層(5)是通過電極層(2)與另一個所述歐姆接觸電極相互電連接的；該電極層(2)是直接設置在襯底(1)上的；

或者，當空穴傳輸層(5)與任意一個所述歐姆接觸電極直接接觸時，所述電子傳輸層(3)是通過電極層(2)與另一個所述歐姆接觸電極相互電連接的；該電極層(2)是直接設置在襯底(1)上的。

作為本發明的進一步優選，所述一體化同位素—鹵素鈣鈦礦層(4)中，所述鹵素鈣鈦礦材料的化學式滿足ABX₃或A₂CDX₆；其中，A為甲胺根陽離子MA⁺、甲脒根陽離子FA⁺、以及銫陽離子Cs⁺中的至少一種，B為鉛陽離子Pb²⁺、以及錫陽離子Sn²⁺中的至少一種，C為銀陽離子Ag⁺，D為鉍陽離子Bi³⁺、銻陽離子Sb³⁺、以及銦陽離子In³⁺中的至少一種，X為氯陰離子Cl^-、溴陰離子Br^-、以及碘陰離子I^-中的至少一種。