[发明专利]一种基于钙钛矿晶体的辐射伏特型核电池

说明书

本发明涉及一种基于钙钛矿晶体的辐射伏特型核电池及制备方法。该核电池结构从上往下依次为：辐射源、阳极电极、p型钙钛矿层、本征钙钛矿层、n型钙钛矿层、阴极。在上述核电池结构中，辐射源发射出高能量粒子，如β粒子、X射线和γ射线等，这些高能量粒子在高厚度的钙钛矿本征层被吸收，通过光电效应产生光生电子/空穴对。P型钙钛矿层、本征钙钛矿层和n型钙钛矿层构成PIN结构，该PIN结构将形成耗尽层。由于耗尽层的内建电场，高能粒子所产生的光生电子/空穴对分离，分别向阴极和阳极漂移，形成开路电压或者短路电流。

技术领域

本发明涉及一种核电池，具体涉及一种基于钙钛矿晶体的辐射伏特型核电池，属于核电池设备技术领域。

背景技术

核电池是将放射性同位素在衰变时释放的能量转化为电能的装置。与传统的干电池、化学电池、燃料电池、太阳能电池相比,核电池具有服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等优点,在军事国防、航天航海、生物医疗等重要领域有着重要的实用价值,已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、心脏起搏器等方面。

核电池最重要的两个部分是辐射单元和换能单元。在选择辐射单元时主要考虑辐射类型、放射剂量比和半衰期等。γ射线具有很强的穿透能力，需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。α粒子可以用于在半导体产生电子-空穴对，但是它们会引起严重的晶格缺陷。因此，现有的核电池大多采用β同位素放射源。经过数十年的发展，人们提出了十余种核电池的换能工作方式，主要利用的物理效应有热电效应、光电效应、压电效应和动态换能效应等。其中，利用光电效应将辐射源的高能粒子能量转换为光生载流子，并通过PN或者PIN结形成功率输出的核电池被称为辐射伏特型核电池。

辐射伏特型核电池具有系统微型化、集成化、能量密度高、使用寿命长和不依赖外界能量等特点，所以是军事电子和航空航天探测最为常用的一种核电池形式。辐射伏特效应的物理机制和光伏效应非常相近，二者的区别在于辐射伏特效应的入射光子是高能的γ光子、X射线光子、β粒子和α粒子等，这些高能粒子会引起电离辐射。在光电效应中入射光子一般是紫外至红外范围的低能光子，它们引起电磁辐射。β粒子辐射伏特效应换能单元结构和太阳能光伏电池的单元结构比较类似，如图2所示。

在常规的β辐射核电池中，人们大都采用Si、GaAs、SiC和GaN等半导体材料作为辐射电池活性层。虽然这些半导体材料对β粒子具有不错的吸收特性，但是低能β辐射源存在严重的自吸收效应，表面出射活性密度较低，导致电池输出功率受到限制。另外，低能β粒子入射到这些半导体材料还会产生一定的反射，它将降低换能的量子效率。与β粒子相比较，γ辐射源的自吸收效应弱，γ光子能量高，入射到活性材料反射低，因此γ辐射核电池有可能获得更高的转换效率和更高的输出功率。但是γ射线的穿透性很强，单晶硅和大多数化合物半导体对γ光子的阻止能和吸收系数等比较小。因此，γ辐射核电池的发展受到一定限制。针对这一问题，一些研究组提出γ光子的间接换能方式。他们采用荧光粉和量子点等材料构成光致发光层，当γ光子或者X射线光子入射到该发光层，产生闪烁荧光，闪烁荧光的范围一般在可见光范围。然后，他们采用常规的光伏电池结构，再将可见光转换为电能。在上述的间接换能过程中，需要将高能γ光子首先转换为可见光子，然后再转换为电子/空穴对，所以整个换能效率比较低。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于钙钛矿晶体的辐射伏特型核电池，本发明提出的核电池结构还可以充分吸收X射线和γ射线，与较低能量的β粒子源相比较，γ射线源的自吸收效应小，射线的反射和散射也比较小，因此可以获得更高的光电转换效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于钙钛矿晶体的辐射伏特型核电池，所述核电池的结构从上往下依次为：辐射源、阳极电极、p型钙钛矿层、本征钙钛矿层、n型钙钛矿层以及阴极。其中，采用溶液法外延生长钙钛矿PIN结，所以结区界面晶格匹配，缺陷密度低，载流子迁移率高。

作为本发明的一种改进，所述辐射源设置为β粒子辐射源、X射线和γ射线辐射源中的一种。