[發明專利]一種基于碳化硅PIN結型β輻射伏特效應核電池

在審

• 申請號: 201810585578.6
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN110428922A
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 陸景彬;何瑞;劉玉敏;李瀟祎;許旭;鄭人洲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06;G21H1/02;B81B7/04
• 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

本發明公開了一種基于碳化硅PIN結型β輻射伏特效應核電池，其基本結構包括：純β放射源提供載能β粒子，慢化體將純β放射源釋放的高能β粒子慢化獲得低能β粒子，碳化硅PIN結器件吸收純β放射源的衰變能并將其轉化為電能，電池外殼保護電池內部結構并屏蔽未能利用的載能β粒子和次生γ射線。碳化硅是目前商業化發展成熟的第三代寬禁帶半導體材料，它具有禁帶寬度大、熱穩定性強、熱導率高、載流子飽和速率大、抗輻照性能優越等特性。研究表明：基于碳化硅PIN結型β輻射伏特效應核電池是微機電系統理想的微型電源。

技術領域

本發明涉及利用半導體器件將放射性核素的衰變能轉化為電能的裝置，屬于核能利用技術領域。

背景技術

近年來，微機電系統中微機電設備得到了快速的發展，但是微機電系統的進一步發展卻受到了缺乏微型電源的限制。結合微機電設備的特點，其對微型電源的要求一般包括以下幾個方面：(1)微型化。微機電系統的物理尺寸從開始的毫米量級、微米量級已經發展到納米量級甚至更小。所以，微機電系統包含的微機電設備和微型電源的物理尺寸也需要達到微米量級、納米量級甚至更小。(2)集成化。微機電系統的電子器件通常都是集成的。為了實現供能和便于應用，微型電源需要和電子器件集成才能適應微機電系統的物理尺寸和穩定工作的要求。(3)工作時間長。由于微機電設備的物理尺寸和特殊功能，它的加工工藝難度較高。因此，一旦這些設備投入使用，如果電源的使用壽命較短，那么整個系統的工作狀態都會受到影響。但是，重新加載微型電源不但會影響原來電子設備的工作狀態，而且還會增加生產成本。(4)電源功率小。微機電系統所需要的功率一般在毫瓦、微瓦甚至納瓦量級，如果微型電源的輸出電壓和功率過大，它會嚴重影響微機電設備的正常工作。所以，能量密度高，滿足低功率要求的微型電源是微機電系統所必需的。(5)適應性強。微機電系統往往需要與其他的設備同時工作，提高微型電源的環境適應性是微機電系統必需的。傳統的微型電池主要包括微型燃料電池、微型化學電池、微型太陽能電池、微型內燃機等。研究表明：和傳統的微型電池相比，β輻射伏特效應核電池具有質量輕、可微型化、可集成化、使用壽命長、能量密度高、輸出性能穩定、維護服務頻率低以及它不需要外界太陽光等特點。因此，β輻射伏特效應核電池得到了研究者的重視并逐漸成為微型電源的研究熱點。

1913年，Mosley首次展示了一種β射線核電池，這種核電池的原理是將β射線能量直接轉換為電能。1937年，Becker和Kruppke利用陰極電子射線轟擊硒光電元件時觀察到了電子-空穴對的產生，這種現象被稱為電子的伏特效應。這是首次報道電子輻射伏特效應的研究工作。直到20世紀50、60年代，隨著空間技術的發展，核電池的研究也得到了重視和進一步的研究。1953年，第一塊真正意義上的β輻射伏特效應核電池誕生：Rappaport等人用β放射源(⁹⁰S/⁹⁰Y)照射硅基PN結半導體器件，在半導體內部產生電子-空穴對，并用電極收集產生的電子-空穴對，完成了將β放射源的衰變能轉換為電能的過程，這種電池就是β輻射伏特效應核電池。從20世紀60、70年代，β輻射伏特效應核電池已經開始在空間探測和醫療領域得到應用與研究。直到20世紀90年，隨著微機電系統的飛速發展，β輻射伏特效應核電池的研究得到迅速的發展。近年來，碳化硅是商業化發展成熟的第三代寬禁帶半導體材料，它具有禁帶寬度大、熱穩定性強、熱導率高、載流子飽和速率大、抗輻照性能優越等特性，這些特性有助于提高β輻射伏特效應核電池的能量轉換效率和輸出性能的穩定性。

發明內容

本發明提供了一種基于碳化硅PIN結型β輻射伏特效應核電池。利用成熟的半導體加工工藝和放射源加載技術將純β放射源、慢化體和碳化硅PIN結器件制備集成為一種將放射源的衰變能轉化為電能的裝置。這種類型的核電池因其能量轉化效率高、抗輻照性能強、輸出性能穩定、使用壽命長而成為微機電系統理想的微型電源。

為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是：

一種基于碳化硅PIN結型β輻射伏特效應核電池(見附圖1和附圖說明)。