[發明專利]一種無序排列的寬禁帶半導體納米線的同位素電池

在審

• 申請號: 201710849974.0
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107785093A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 張子庚;張瑜桀;張核元;張鎂元;任琤;任易
• 申請（專利權）人: 壹號元素（廣州）科技有限公司
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司44202
• 代理人: 宋靜娜,郝傳鑫

技術領域

本發明涉及一種同位素電池，具體涉及一種無序排列的寬禁帶半導體納米線的同位素電池。

背景技術

自上個世紀90年代中期以來，微傳感器、微執行器己在軍事和民用領域得到廣泛應用。這些微型功能器件均需要高效率、低功耗、長壽命的適配電源。然而，常規電源(如化學電池、燃料電池和太陽能光伏電池)通常需人為定期維護更換，而且體積大，系統復雜，大大制約了微型傳感器系統的工作壽命和適用環境。

“核能源”是解決微型傳感系統供電的理想電源，考慮到安全性和經濟性，核能源的其中一種形式：同位素輻射能被認為是制造微能源電池最理性的候選能源。基于放射性同位素的核電池具有能量密度高、壽命長、不受環境因素影響的特點。目前為止，將同位素輻射衰變能轉換為電能主要有4種轉換機制：熱電轉換式、直接充電式、直接能量轉換式、間接能量轉換式。其中直接能量轉換方法具有易微型化和易集成化的特性，已成當前研究的熱點。直接能量轉換方法類似于太陽能電池，主要是利用半導體結構吸收同位素源放射的貝塔(β)或阿爾法(α)射線能量并在半導體內產生電子空穴對，通過半導體p-n結或肖特基結的內建電場將電子空穴對分離并轉移至收集電極實現能量轉換。綜合研究表明，直接轉換同位素電池所用半導體禁帶寬度越大，密度越高，其轉換效率越高，抗輻射損傷能力越強。Chandrashekhar等研制的基于4H-SiC的p-n結微型同位素電池，在1mCi活度的⁶³Ni固態輻射源照射下，開路電壓達到0.72V，轉換效率可達6％(M.V.S.Chandrashekhar,C.I.Thomas,H.Li,M.G.Spencer and A.Lal,“Demonstration of a 4H-SiC betavoltaic cell”,Applied Physics Letters,Vol.88(7),pp.423-429,2006.)。廈門大學的San等人利用一維半導體材料制成基于寬禁帶半導體二氧化鈦(TiO₂)納米多孔陣列同位素電池，在10mCi活度的⁶³Ni固態輻射源照射下，電池的開路電壓達到1.54V,短路電流為12.4nA，最大有效轉化效率達到7.3％(Qiang Zhang,Ranbin Chen,Haisheng San,Guohua Liu,Kaiying Wang,“Betavoltaic effect in titanium dioxide nanotube arrays under build-in potential difference”,Journal of Power Sources,Vol.282,pp.529-533,2015)。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足之處而提供一種無序排列的寬禁帶半導體納米線的同位素電池。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：包括襯底電極、頂部電極、寬禁帶半導體納米線層和同位素輻射源；所述寬禁帶半導體納米線層包含多個納米線，所述納米線的表面具有肖特基結或異質結，多個納米線相互交錯設于寬禁帶半導體納米線層內，所述寬禁帶半導體納米線層設于襯底電極和頂部電極之間，所述同位素輻射源設于寬禁帶半導體納米線層內和/或寬禁帶半導體納米線層與頂部電極之間。

本發明所述無序排列的寬禁帶半導體納米線的同位素電池使用的能量轉換材料為寬禁帶半導體晶態納米線。寬禁帶半導體具有密度大、抗輻射損傷能力強的特點，用其制備的同位素電池輸出電壓高，因此具有更高的能量轉換效率和器件穩定性。而納米線半導體材料的制備方法簡單且多樣，容易和放射源物質集成，能更有效分離電子和空穴，減少電子空穴對的重新復合，從而提高轉化率。

本發明所述無序排列的寬禁帶半導體納米線的同位素電池是一種三明治結構，寬禁帶半導體納米線為通過物理或化學方法制備的相互交錯的納米線群體，并通過物理或化學方法使異質材料與納米線進行有效的表面復合形成肖特基結或異質結，肖特基結或異質結可以提高輻射源輻射產生的電子空穴對分離和轉移的效率，減小載流子復合率，有效提高電池的能量轉換效率。