[发明专利]非晶硅碳薄膜核电池

说明书

技术领域

本发明是关于以β放射性元素为能源的薄膜核电池，本发明特别涉及到一个基于非晶硅薄膜的p-i-n型β伏电池核的设计。

背景技术

近年来全世界广泛流行各种各样的电子器件，使得对于电池的需求量大大增加。通常使用的化学电池的寿命短，且笨重，废电池难处理，而且储存寿命有限，所以对另类的可携带的且寿命长的电源很有需求。原子能电池就是一种解决办法。

这种“电池”的含义指的是一个或多个连在一起的可以提供电源的单位，这种“原子能电池”同时也叫做“核电池”，指的是这种电池的能量来源于存储于原子核中的能量。储存于原子核当中的核能量通常由如下三种方式之一得到释放：核裂变、核聚变和放射性蜕变。本发明描述一个将核蜕变所释放的一种核辐射(β射线)，用半导体结构转换成电能的器件。几十年来，一些这种依靠放射性蜕变的核电池，在单步转化过程或双步转化过程的基础上被发明。单步转换原子能电池直接将核辐射转换成电能。双步转换电池将核辐射能转换成中间的一种能源(如热或光)，从而进一步转化成电能。

单步转换类型的核电池包括传统的β伏电池，它的工作原理是一个常规的晶态半导体p-n节暴露在核辐射下，导致生成了电子空穴对，从而诱发低电压电流。其中一个例子是在美国专利号(2745973及4024420)中提供的。另一个单步转换核电池的例子是一个低电压电池，它基于气体离子化的原则，因此包含了电离气体的电池，其电池由电离的气体和两个电极组成，两个电极在气体之间建立电场，核辐射源可以是气态或固态的。还有一个例子是高电压的真空电池，其中的一个电极构成核辐射带电离子源，同时另一个电极具有高接收效率和低再次放射性能，这样导致对核辐射的高效收集，从而制成高电压低电流的核电器件。

双步转化核电池包括光伏电池，其工作原理是先将核辐射照在一个荧光材料上，使其转换成光能，然后将半导体p-n节暴露在光照之下，从而依光伏效应产生低压电流。还有一种双步核电池是热电型核电池，其工作原理是先将核辐射转换成热能，然后热能通过热电效应将其转换成电能。光伏和光热核电池的例子，包括如下美国的专利，它们的号码是4628143；4900368和5008579。

核能转换成电能的过程，通常转换效率都很低。单步核电转换过程效率通常在5％之下，双步核电池转换过程效率更低。在现实中对核电池转换的限制来源于核能在达到半导体之前所受到的能量损失，及核辐射在半导体材料中受到的进一步衰减，最终只有很小一部分可用来在p-n节附近产生可被收集的电子空穴对。

为了解决上述困难，美国专利号为5606213的专利提出了基于非晶硅的β伏电池。这种核电池的构成是将由辐射性的氚用化学合成的办法掺入到非晶硅材料之中。通常的非晶硅里含有氢(氢化非晶硅通常也简称为非晶硅)。在氚化非晶硅里，氚原子以化学键的方式均匀的分布在硅的整个网络中。另一种考虑这种材料的着眼点就是，在氢化非晶硅里有一些氢被氚代替了。

背景技术的氚化非晶硅p-i-n型结构的核电池是由：一个硼掺杂的p层，一个磷掺杂的n层，和一个非掺杂的i层组成。可以含氚的基于非晶硅的p层和n层，被放置在含氚的非晶硅i层(氚化非晶硅)的两边，所以i层置于β辐射之中，其实i层本身就是β辐射源。因为很重的掺杂度，使得基于非晶硅的p层和n层具有很高的电子缺陷密度，从而使在其中产生的电子和空穴迅速复合而丧失，不能用于将核能转换为电能。只有i层是将核能转换为电能的活性层。为了维持它的核电能转化能力，i层必须保持较低的电子缺陷密度。根据此核电池的设计，绝大多数的β辐射能源由比p层和n层要厚得多的氚化非晶硅i层所提供。其设想是将β辐射源氚直接嵌入到将核能转换成电能的半导体里(i层里)，从而减少核放射能量的损失，并且简化核电池的结构。不幸地是，这种传统设计的非晶硅β伏核电池的表现过于不稳定。相比于期望值为12年的使用寿命，电池的输出功率在几个星期内就衰退了50％以上，具体衰退速度取决于i层中氚的含量。显然地，由于当氚通过β衰退释放出具有几千eV能量的电子并转化成氦(helium)时，基于动量守恒原则，氦原子有很强的反弹力，对硅网络造成极大的破坏，因此氚化非晶硅i层的电子质量迅速衰退。

根据我们的一项发明，氚只被加入重掺杂的p层和n层中，并将由不含氚的氢化非晶硅或者它的合金制成的i层夹在氚辐射源p层和n层之间。这种排列确保了活性转化层i层容易接收由p层和n层所产生的β辐射，而本身不会被β衰变所放出的氦原子破坏。这种i层不含氚的非晶硅β伏核电池十分稳定。