[發明專利]三維納米結構氚伏電池

在審

• 申請號: 201910075577.1
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN111446019A
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 傘海生;陳長松
• 申請（專利權）人: 廈門大學;廈門大學深圳研究院
• 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

三維納米結構氚伏電池，涉及一種同位素電池。呈三明治結構，從上到下依次為：頂部電極、三維納米結構半導體和底部電極；所述三維納米結構半導體是由半導體材料構成的三維網格框架結構，網格框架之間設有孔道間隙，三維納米結構半導體設于底部電極與頂部電極之間，三維納米結構半導體為氚基同位素源集成的三維納米結構半導體，所述氚基同位素源貯存于半導體網格框架之間孔道間隙中的氚化金屬，或為氚與三維納米結構半導體材料復合形成的氚化半導體，或為氚化金屬與氚化半導體的共存結構；所述氚化金屬與三維納米結構半導體形成肖特基接觸或歐姆接觸，同時還與頂部電極或底部電極連接。

技術領域

本發明涉及一種同位素電池，尤其是涉及一種利用三維納米結構半導體將同位素氚的貝塔輻射能直接轉換為電能的三維納米結構氚伏電池。

背景技術

深海、極地等極端地區具有環境惡劣、到達困難等問題。在這些地方，以前人類活動往往較少。近年來，這些地區由于內含資源豐富、地理位置重要、無所屬劃分等原因，世界上各國都大力開展相關研究工作。例如，通過建立深海觀測網絡，可對深海的溫度、地貌、洋流等環境參數進行記錄，進而繪制深海地圖，這些深海地理數據參數具有極大的科學、經濟和軍事價值。這些地區都具有無人值守、維護不方便、環境苛刻等特點。因此，對建立在該地區的傳感監測設備和無線通訊設備提出了長期免維護的要求。其中，能源系統是這些裝備中對壽命和免維護要求最典型的設備。常規的太陽能、化學燃料能、海洋能、風能、溫差能等供電方式由于受環境影響、定期維護和體積重量大等問題，無法滿足傳感器監測和通訊設備的供電需求，成為制約監測設備部署的瓶頸問題。為了解決裝備中能源系統的“免維護”問題，近幾年科研人員想到了“核能源”。核聚變和核裂變能產生巨大的能量，但裝置都非常巨大和復雜，運行維護要求很高。然而，利用同位素衰變產生的輻射能制造的電池具有壽命長、不受環境影響、免維護等特點，是環境監測系統最理性的候選能源。

同位素電池有溫差、熱離子、直接充電、熱機和輻射伏特效應等幾種轉換機制，考慮到小型化和能量轉換效率，輻射伏特效應轉換方式是理想的候選。輻射伏特效應電池是利用輻射粒子的動能與半導體結構作用直接產生電能，能量密度是鋰電池的上萬倍，電池理論效率可達30％。從同位素輻射源的使用上看，主要考慮三個因素：1)β粒子平均能量；2)同位素源半衰期；3)同位素來源和制造成本。由于半導體的輻射損傷閾值是250～300KeV，因此高輻射動能的β源，如氪-85、釕-106、鍶-90等都會造成電池性能的衰減。考慮到電池壽命和平均能量，同位素源的半衰期必須超過5年，因此比較合適的同位素源是氚(平均能量＝5.7KeV，半衰期12.3年)和⁶³Ni(平均能量＝17.4KeV，半衰期100年)。由于⁶³Ni來源有限，價格非常昂貴，而氚的資源非常豐富，廣泛存在于核反應堆廢料和海洋中。因此，氚是制備產業化貝塔伏特電池最理想的同位素。由于商業化的氚原料通常以氚氣的形式存在，如何將氚集成在半導體能量轉換基質中是目前迫切需要解決的問題。

傳統的貝塔伏特電池主要利用單晶半導體(如硅、金剛石、碳化硅和氮化鎵等)制作平面型器件，通過在器件表面集成輻射源實現電池結構。這種結構的主要缺點是輻射源利用效率低，同時單位面積集成的有效輻射源數量有限。例如，俄羅斯莫斯科物理與技術研究所以金剛石為轉換材料，以鎳-63(⁶³Ni)為輻射源的貝塔伏特電池，電池輸出功率可達μW級，續航達100年，但效率只有1.25％(文獻：DiamondRelated Materials，vol.84,pp.41–47,2018)。美國City Labs公司目前已實現氚基貝塔伏特電池的商業化，使用砷化鎵(GaAs)晶體為轉換材料，將100居里的氚集成在器件表面并實現多片電池級聯，電池輸出功率可達100μW左右,但實際效率不到3％(https://citylabs.net/)。因此，如何提高貝塔伏特電池的能量轉換效率是目前研究的當務之急。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足之處，提供一種三維納米結構氚伏電池。