[發明專利]一種基于石墨烯的異質結同位素電池

有效

• 申請號: 202010868066.8
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111968772B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 柳偉平;韓運成;王曉彧;張佳辰;李桃生
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21H1/06
• 分類號: G21H1/06
• 代理公司: 合肥興東知識產權代理有限公司 34148
• 代理人: 王偉

本發明提供了一種基于石墨烯的異質結同位素電池，包括石墨烯異質結能量轉換結構和與所述石墨烯異質結能量轉換結構相配合的放射源，所述石墨烯異質結能量轉換結構包括襯底材料層，設置在所述襯底材料層的背面的背電極，設置在所述襯底材料層的正面的石墨烯層，所述石墨烯層與所述襯底材料層之間形成異質結。本發明采用石墨烯與半導體材料形成異質結，異質結金屬層的石墨烯的厚度僅幾個納米，減小了金屬層對源層的吸收阻擋作用，并且石墨烯的功函數較高，能與半導體材料形成較大的內建電場，有利于開路電壓的提升，同時石墨烯還能作為電極材料，進一步減小放射源衰變粒子的能量損失提高了同位素電池的整體能量轉換效率。

技術領域

本發明屬于同位素電池領域，涉及一種輻射伏特式同位素電池，尤其涉及一種基于石墨烯的異質結同位素電池。

背景技術

同位素電池是將放射性同位素源的衰變能通過一定的能量轉換方式轉變為電能的一種供能裝置。輻射伏特式同位素電池(Radiation Voltaic Isotope Battery，RVIB)是將同位素衰變釋放出的帶電粒子能量通過半導體轉換為電能的裝置，具有易微型化、工作壽命長的天然優勢，且其環境適應能力強、穩定性好和無需維護，有望成為微機電系統(MEMS)的最佳供電電源。

在已公開的同位素電池專利中，大部分輻射伏特式同位素電池采用PN結，即利用PN 結形成的內建電場的作用下，實現電子-空穴對的分離，從而實現電流的輸出，但是，傳統的輻射伏特PN結同位素電池需額外金屬薄層復合電極作為電極引出，進一步增強了放射源射線的衰減作用，造成了傳統的輻射伏特式同位素電池能量轉換效率低。當前已有的同位素電池其能量轉換效率普遍較低，生產成本高，且部分設計工藝加工難度大，迫切需要設計一種能量轉換效率較高的結構簡單、易于加工的同位素電池。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種能效增加石墨烯與半導體之間形成的內建電場強度，提高載流子的有效分離和傳輸進而提高同位素電池的能量轉換效率的一種基于石墨烯的異質結同位素電池。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種基于石墨烯的異質結同位素電池，包括石墨烯異質結能量轉換結構和與所述石墨烯異質結能量轉換結構相配合的放射源，所述石墨烯異質結能量轉換結構包括襯底材料層，設置在所述襯底材料層的背面的背電極，設置在所述襯底材料層的正面的石墨烯層，所述石墨烯層與所述襯底材料層之間形成異質結。

進一步的，所述襯底材料層的與所述石墨烯層連接的一側面形成有用以飽和所述襯底材料表面的懸掛鍵的絕緣鈍化層，進而減少界面態密度，使界面的載流子濃度減小，最終提高異質結的電性能。

進一步的，所述絕緣鈍化層的材質為二氧化硅、氧化鋁、硫、氫、氮化硅中的任意一種。

進一步的，所述石墨烯層直接作為上層電極引出，進一步減小了放射源衰變粒子的能量損，所述石墨烯至少設有一層。

進一步的，所述襯底材料層為半導體材料，所述半導體材料為單質元素半導體或化合物半導體或第三代半導體。

優選的，所述單質元素半導體為硅、鍺、硒中的任意一種，或者其他種類的單質元素半導體；所述化合物半導體為砷化鎵、碲化銦中的任意一種，或者其他種類的化合物半導體；所述第三代半導體為碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石中的任意一種，或者其他種類的第三代半導體材料。

進一步的，所述背電極為鉑電極、金電極、銦鎵電極、銅電極中的任意一種。

進一步的，所述放射源包括放射源襯底材料層和能夠發射出衰變粒子的放射性同位素源，所述放射性同位素源設置在所述放射源的靠近所述石墨烯層的一側，所述放射源襯底材料層設置在所述放射源的遠離所述石墨烯層的一側。

進一步的，所述放射源襯底材料層選用能夠耦合或吸附所述放射性同位素源的材料。

進一步的，所述放射性同位素源為β放射性同位素源或α放射性同位素源。