[发明专利]基于液态半导体的夹层结构核电池及制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于微能源领域，尤其是涉及一种基于液态半导体的夹层结构核电池及其制备方法，可用于将放射性同位素的衰变能直接转化为电能。

 

背景技术

微型化、集成化是当今技术发展的大趋势，能源供应已成为制约微机电系统（MEMS）发展的瓶颈,其微型化问题受到广泛的重视。常见的微能源有微型太阳能电池、微型燃料电池等，由于寿命短、受环境影响大等，难以满足MEMS对能源的要求，而核电池以其独特的优势，能够弥补这些不足，且易微型化、易于MEMS集成等已成为微能源研究的重要方向，并且在医学、军事、航空、通用民用领域等都有广阔的应用前景。

2009年，Wacharasindhu等报道了一种采用液态半导体硒制备核电池的方法，得到的结果为：开路电压为V_OC=899mV，短路电流为I_SC=0.107μA，最大输出功率P_max=16.2nW，能量转化率为=1.24% (T. Wacharasindhu, J.W. Kwon, D.E. Meier, J.D. Robertson. Liquid-semiconductor-based micro power source using radioisotope energy conversion. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International. )。该核电池采用的放射源为³⁵S，其半衰期仅有87天，难以发挥出核电池长寿命的优势，而选取其他类型的长寿命放射源又难以与硒共晶形成熔点较低的液态半导体，这是该核电池设计的一大缺陷。

2011年，Qiao等报道了一种基于宽禁带半导体4H-SiC的核电池，采用的放射源为⁶³Ni和²⁴¹Am，得到的能量转化率分别为0.5%和0.1%（D. Y. Qiao, X. J. Chen, Y. Ren, W. Z. Yuan. A Micro Nuclear Battery Based on SiC Schottky Barrier Diode[J]. J. Microelectromech. S. 201, 20(3): 685-690.）尽管该核电池的能量转换结构使用的半导体4H-SiC耐辐射性能强，但因为是固态，辐射损伤仍然不容忽视。

目前国内外所有的PN结或肖特基结核电池采用的半导体基本均为固态，如Si、SiC等。尽管SiC为第三代半导体技术的代表之一，抗辐射能力强，但为固态，放射性同位素的衰变粒子（β、α、γ等）会破坏固体晶格，降低核电池寿命。而目前已有的液态半导体核电池因使用的放射性同位素源寿命过短，难以得到实际应用。

 

发明内容

解决的技术问题：本发明主要是为了解决半导体辐射损伤严重和电池寿命过短的问题，提供一种基于液态半导体的夹层结构核电池及制备方法，该电池采用液态半导体及长寿命放射源型同位素源，并设计夹层结构，全面提高电池输出性能和提升其应用价值。

技术方案：

一种基于液态半导体的夹层结构核电池，包括衬底、金属层、液态半导体、绝缘材料、放射性金属和非放射性金属，所述放射性金属与非放射性金属为一体结构，且放射性金属设于非放射性金属中间；绝缘材料、金属层和衬底均由近及远依次设于上述一体结构的上下两面，所述绝缘材料为中空结构，液态半导体设于绝缘材料的空腔内；所述放射性金属与液态半导体形成肖特基接触或欧姆接触、金属层与液态半导体形成欧姆接触或肖特基接触；所述放射性金属的面积与绝缘材料的空腔接触面积一致；所述放射性金属和非放射性金属的表面积之和分别与衬底、金属层一致；所述绝缘材料与金属层接触部位的外周轮廓所辖表面积小于金属层的表面积。

所述液态半导体所用材料含有Ⅵ族元素，所述Ⅵ族元素为氧、硫、硒和碲。

所述液态半导体所用材料是硒、碲、Ⅵ族元素的共晶混合体或Ⅵ族元素与金属的合金。

所述衬底为玻璃，所述玻璃的耐温值不低于1000℃。

所述金属层为镍或铝。

所述放射性金属为放射性金属镍-63或放射性金属钷-147。

所述非放射性金属为非放射性金属镍或非放射性金属钷。

所述绝缘材料为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。