一种基于

一种基于
90
srhfo3:ce的
β
辐致伏特/光伏双效应核电池
技术领域
1.本发明涉及核电池技术领域，尤其涉及一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池。


背景技术：

2.核电池也称放射性同位素电池、同位素电池，是利用放射性同位素衰变过程中放出的能量或由它们引起的热效应、光效应或电离作用等并将其转换为电能的一种装置。核电池具有功率密度高、寿命长、超小型等优点，因而在航空航天航海领域、深海深地极地领域、医学领域和微机电系统中都有具有巨大的潜在应用价值。
3.放射性同位素的半衰期单独决定了设备的最终寿命，而活度(衰变率乘以存在的放射性原子的数量)和平均β衰变能量决定了同位素电池的总功率输入。如果β放射源在释放β粒子的过程中还伴随
ɑ
粒子、γ射线或者x射线出射，高能量的
ɑ
粒子、γ射线和x射线会造成换能器件严重的辐射损伤。同时，它们还会增加放射源辐射防护难度。通常，β辐射伏特效应核电池中采用半衰期长、衰变能量低、能量密度高的纯β放射源，比如氚(3h)、
63
ni、
147
pm和
85
kr等。但由于其高自吸收性和低功率密度导致的低效率和低功率，限制了其进一步的应用。而高能β源
90
sr/
90
y已在1953年被第一次用作β辐射伏特效应同位素的同位素源。因具有诱人的高功率密度(几乎是每居里氚的200倍)，和在核反应堆的放射性废物中大量存在，导致价格相对较低，使其具有巨大的应用潜力。但是由于
90
sr/
90
y的高能β粒子会对半导体造成严重的位移损伤，且高能β粒子在半导体转换器件中很难被有效吸收，导致
90
sr难以大量应用于核电池领域。
4.为此，本发明提供一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中，由于
90
sr/
90
y的高能β粒子会对半导体造成严重的位移损伤，且高能β粒子在半导体转换器件中很难被有效吸收，导致
90
sr难以大量应用于核电池领域的问题，本发明提供一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，从根本上解决了由于放射源自吸收效应带来的不利影响，同时解决核电池的能量转换效率低的问题。
6.本发明的一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，包括电池本体，且所述电池本体包括：
8.半导体器件a，以及其上依次叠层设置的闪烁体层、半导体器件b、放射源层和反射膜；
9.其中，所述闪烁体层为铈掺杂的lyso陶瓷材料；
10.所述放射源层为铈掺杂的含有
90
sr的闪烁陶瓷
90
srhfo3:ce；
11.且所述半导体器件a与所述半导体器件b串联。
12.进一步地，所述半导体器件a包括：
13.正电极层a；
14.gaasp-n结a，设置于所述正电极层a上；
15.背电极a，设置于所述gaas单结a上；
16.且所述闪烁体层设置于所述背电极a上。
17.进一步地，所述正电极层a为为ito薄膜透明电极，且所述正电极层a的厚度为130nm；
18.所述背电极a为ti/ni/au复合金属层，且所述背电极a的厚度为0.1～50nm。
19.进一步地，所述gaasp-n结a的厚度为160～180μm；
20.且所述gaasp-n结a由下到上依次为缓冲层a、gaas发射层a、基层a和帽子层a。
21.进一步地，所述帽子层a为gaas重掺杂，且掺杂浓度na≥10
19
cm-3
；
22.所述发射层a的掺杂浓度na为10
16
～10
18
cm-3
；
23.所述基层a的掺杂浓度nd为10
14
～10
16
cm-3
。
24.进一步地，所述半导体器件b包括：
25.正电极层b，设置于所述闪烁体层上；
26.gaasp-n结b，设置于所述正电极层b上；
27.背电极b，设置于所述gaas单结b上；
28.且所述放射源层设置于所述背电极b上。
29.进一步地，所述正电极层b为ti/ni/au复合金属层，且所述正电极层b的厚度为0.1～30nm；
30.所述背电极b为ti/ni/au复合金属层，且所述背电极b的厚度为0.1～50nm。
31.进一步地，所述gaasp-n结b的厚度为160～180μm；
32.且所述gaasp-n结b由下到上依次为缓冲层b、gaas发射层b、基层b和帽子层b。
33.进一步的，所述帽子层b为gaas重掺杂,掺杂浓度na≥10
19
cm-3
；
34.所述发射层b的掺杂浓度na为10
16
～10
18
cm-3
；
35.所述基层b的掺杂浓度nd为10
14
～10
16
cm-3
。
36.进一步地，所述反射膜为镀银pet膜。
37.进一步地，所述闪烁体层的厚度≥0.075cm。
38.进一步地，还包括电池壳体、以及电池壳盖，所述电池壳体与所述电池壳盖之间可拆卸连接，且所述电池壳体内部具有用于安装所述电池本体的空腔结构。
39.进一步地，所述电池壳体与所述电池壳盖均由密度小的高分子聚乙烯塑料构成，厚度大于1.5cm。
40.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
41.本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池中，
90
srhfo3:ce中的
90
sr自发衰变释放出的β射线通过电离、散射和吸收的形式产生电子空穴对，电子空穴对是通过能量转移过程最终达到发光中心，使
90
srhfo3:ce产生荧光，再通过光伏组件的光生伏特效应形成光生伏特电流，将光能转换成电能。
90
srhfo3:ce出射的高能β粒子经过光伏器件和lyso闪烁陶瓷降能后，再次沉积在gaas中，通过电离作用形成辐生电流，进而有效地避免了
半导体的辐射损伤，使得高能β粒子在半导体转换器件中能够被有效吸收，并实现了载能换能一体化，提高了核电池的输出性能，有利于其应用于核电池领域。
42.本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池中，
90
srhfo3:ce源出射的光子被半导体器件b收集，发生光电效应，产生的电子空穴对在内建电场作用下实现分离，被正、负电极收集形成光生电流。然而
90
srhfo3:ce出射的高能β粒子如果直接沉积到半导体器件a中，会造成其辐射损伤。为了降低
90
srhfo3:ce出射的β粒子能量，选择让其经过半导体器件b后再经过lyso闪烁陶瓷的降能，这样沉积在半导体器件a的gaas中的能量即可小于其辐射损伤阈值，能够有效地避免了半导体的辐射损伤。韧致辐射和特征x射线使
90
srhfo3:ce源出射能够x射线。x射线穿透能力强，经过lyso闪烁陶瓷，可以使其发光，出射的荧光光子再被光伏单元收集，体现了辐致光伏/伏特的双效应的能量转换，减少了环境的破坏。两个光伏器件串联，从而实现了能量利用的最大化。为了有效增加光伏组件可吸收荧光的注量，使得反射回光伏组件表面的荧光增多，选择在
90
srhfo3:ce源的表面增加一层esr银膜，从而增加能量的利用率。
附图说明
43.图1为本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池的轴剖面示意图；
44.图2为本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池的俯视图。
45.图3为本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池的换能器件gaasp-n结的结构示意图。
46.图4为本发明基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池的能量转换机制示意图。
具体实施方式
47.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
48.本发明提供一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，包括电池本体，为了便于电池本体进行工作，同时对电池本体进行保护，本发明的的β辐致伏特/光伏双效应核电池还包括电池壳体6以及电池壳盖7，其中，电池壳体6与所述电池壳盖7之间可拆卸连接，且所述电池壳体6内部具有用于安装所述电池本体的空腔结构61，如图1-2所示，电池本体安装于空腔结构61中。
49.其中，本发明不限制具体可拆卸连接的方式，只要能够满足可拆卸连接即可。
50.且所述电池本体包括半导体器件a1，以及其上依次叠层设置的闪烁体层2、半导体器件b3、放射源层4和反射膜5；
51.需要说明的是，本发明考虑到lyso光子产额较好在空气中不易潮解，硬度较高，能够稳定的产生荧光光子，故本发明闪烁体层2的材料优选为铈掺杂的lyso陶瓷材料，以作为荧光材料实现辐致光伏效应的转换，且lyso原子序数较高能够较好的吸收x射线，从而降低x射线对器件环境的破坏，同时lyso闪烁晶体在空气中良好的稳定性可以保证电池稳定的工作。且本发明闪烁体层2的厚度≥0.075cm。
52.本发明的放射源层4为铈掺杂的含有
90
sr的闪烁陶瓷
90
srhfo3:ce，
90
srhfo3:ce中的
90
sr自发衰变释放出的β射线通过电离、散射和吸收的形式产生电子空穴对，电子空穴对
是通过能量转移过程最终达到发光中心，使
90
srhfo3:ce产生荧光，再通过光伏组件的光生伏特效应形成光生伏特电流，将光能转换成电能；且
90
srhfo3出射的高能β粒子经过光伏器件和lyso闪烁陶瓷降能后，再次沉积在gaas中，通过电离作用形成辐生电流。有效地避免了半导体的辐射损伤，并实现了载能换能一体化，提高了核电池的输出性能。
53.本发明为了有效增加光伏组件可吸收荧光的注量，优选镀银pet膜作为本发明的反射膜5，以使得镀银pet膜反射回光伏组件表面的荧光增多。
54.请参阅图1，本发明优选的，半导体器件a1与半导体器件b3的结构相同，且所述半导体器件a1与所述半导体器件b3串联。其中，所述半导体器件a1包括正电极层a11、gaasp-n结a12以及背电极a13，且gaasp-n结a12设置于所述正电极层a11上，背电极a13设置于所述gaas单结a12上，且上述闪烁体层2设置于背电极a13上。半导体器件b3包括正电极层b31、gaasp-n结b32以及背电极b33，正电极层b31设置于上述闪烁体层2上，gaasp-n结b32设置于所述正电极层b上，背电极b33设置于所述gaas单结b上，且所述放射源层4设置于所述背电极b33上，也就是说，本发明通过闪烁体层2将半导体器件a1与半导体器件b3串联。并且，正电极层a11和正电极层b均为为ito薄膜透明电极，且所述正电极层a11的厚度为130nm；所述背电极a13和背电极b33均为ti/ni/au复合金属层，且所述背电极a13和背电极b33的厚度均为0.1～50nm，优选为30nm。gaasp-n结a12和gaasp-n结b32的厚度均为160～180μm，优选为170μm，且本发明gaasp-n结a12和gaasp-n结b32的结构相同，如图3所示，gaasp-n结a12由下到上依次为缓冲层a121、gaas发射层a122、基层a123和帽子层a124，同样，gaasp-n结b32由下到上依次为缓冲层b、gaas发射层b、基层b和帽子层b；且帽子层a与帽子层b均为gaas重掺杂且掺杂浓度na≥10
19
cm-3
；发射层a和发射层b的掺杂浓度na均为10
16
～10
18
cm-3
；基层a和基层b的掺杂浓度nd均为10
14
～10
16
cm-3
。且本发明选择gaasp-n结作为半导体器件a1与半导体器件b3的关键部件，作为本发明电池的能量转换单元，是考虑到的禁带宽度较宽(为1.4ev)，能量转换效率较高，能够产生较大的电压输出，且其半导体层能够与本发明的闪烁体层2的铈掺杂的lyso陶瓷材料(lyso闪烁晶体特征发射波长约为420nm)响应匹配形成辐致光伏效应。
55.综上所述，本发明提供了一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其中
90
srhfo3:ce中的
90
sr自发衰变释放出的β射线通过电离、散射和吸收的形式产生电子空穴对，电子空穴对是通过能量转移过程最终达到发光中心，使
90
srhfo3:ce产生荧光，再通过光伏组件的光生伏特效应形成光生伏特电流，将光能转换成电能。
90
srhfo3:ce出射的高能β粒子经过光伏器件和lyso闪烁陶瓷降能后，再次沉积在gaas中，通过电离作用形成辐生电流。有效地避免了半导体的辐射损伤，并实现了载能换能一体化，从根本上解决了核电池的自吸收效应带来的弊端，提高了核电池的能量转换效率。
56.实施例1
57.本实施例提供基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，且其制备方法如下：
58.步骤1，制备反射膜5
59.先将120μm厚的白色聚酯膜层和10μm厚的透明聚酯膜通过热复合工艺形成的聚酯膜层，再在该聚酯膜层上通过热复合工艺形成1μm厚的丙烯酸树脂膜层，在丙烯酸树脂膜层上通过热复合工艺形成100nm厚的银反射膜层膜和10μm厚的热塑性pet薄膜，获得的复合膜
材料即为镀银的反射膜。
60.步骤2，制备铈掺杂的含有
90
sr的闪烁陶瓷
90
srhfo3:ce
61.1)按照
90
sr
0.99
ce
0.01
hfo3的化学计量比，分别称取相应质量的高纯hfo2粉体、含有
90
sr的srco3粉体、以及高纯的ceo2粉体。
62.2)将称量好的高纯hfo2粉体、含有
90
sr的srco3粉体、以及高纯的ceo2粉体置于氧化铝球磨罐中，以无水乙醇作为球磨助剂，进行湿法球磨，获得混合浆料；
63.3)将混合浆料于65～75℃的烘箱中干燥1.5～4h后，过200目筛，获得混合粉体；
64.4)将上述混合粉体在马弗炉中于1200℃进行煅烧2小时，以去除用含有
90
sr的srco3中的碳酸根，获得铈掺杂的含有
90
sr的
90
srhfo3:ce前驱体粉体。
65.5)将上述
90
srhfo3:ce前驱体粉体于20mpa的压强下将粉体压制成尺寸为1cm
×
1cm的方片，再用200mpa的压强进行冷等静压处理10min。
66.6)采用真空长时烧结的方法于真空环境中1800℃保温20小时得到陶瓷烧结体，将该陶瓷烧结体于800℃～1000℃下退火10h。之后进行抛光和打磨处理得到
90
srhfo3:ce闪烁陶瓷。
67.步骤3，制备铈掺杂的lyso陶瓷材料
68.1)将lucl3·
6h2o(99.99％)、ycl3·
6h2o(99.99％)、cecl3·
7h2o(99.9％)和正硅酸四乙酯(teos,ar)以ce
0.02
(lu
0.9y0.1
)
1.98
sio5的化学比分散在异丙醇(ar)中，获得混合溶液。
69.2)按照环氧丙烷(ppo,ar)与上述混合溶液中稀土元素摩尔比为1:20的比例，向上述混合溶液中加入相应用量的环氧丙烷(ppo,ar)，以500r/m的搅拌转速搅拌24h，得到凝胶。
70.3)将上述获得的凝胶在80℃的空气中干燥24小时，获得lyso:ce前驱体。
71.4)将获得的lyso:ce前驱体在1000℃空气中煅烧2小时，随后将其装入石墨模具(比如4glyso:ce粉末装入直径为18.75mm的石墨模具中)中，然后用石墨箔和bn涂层将lyso:ce粉末从石墨模具中分离出来，并将其于等离子烧结炉中烧结升温速率为50℃/min，加载压力为100mpa，在1050℃-1200℃中停留15分钟，得到lyso:ce陶瓷。
72.步骤4，制备半导体器件a1和半导体器件b3
73.本发明半导体器件a1和半导体器件b3的结构相同，且均采用以下步骤制备获得：
74.1)采用mocvd(金属有机化合物化学气相沉淀)技术，如图3所示在gaas衬底120上由下到上依次生长出缓冲层、gaas发射层、基层和帽子层。
75.以zn为p型掺杂元素，si为n型掺杂元素，且上述帽子层gaas被重掺杂以获得更好的金属接触，掺杂浓度na≥10
19
cm-3
；gaas发射层和基层是器件的核心区域，发射层掺杂浓度na为10
16
～10
18
cm-3
和基层掺杂浓度nd为10
14
～10
16
cm-3
；发射层厚度小于2μm，优选为0.5μm。
76.2)为了在平面gaas基晶片上制造gaas光伏器件，首先采用光刻法在gaas帽子层表面刻蚀光刻胶，并利用显影区制备欧姆接触。然后，采用磁控溅射法在外延芯片上生长厚度为130nm的ito薄膜作为正电极。
77.3)通过lift-off工艺去除非图形电极材料。然后，利用化学机械平面化系统将基底厚度减小到220μm。最后，将厚度为260nm的au/ge/ni薄膜生长为背电极，然后进行金属化退火，以形成半导体器件a1或半导体器件b3。
78.4)通过焊接的方法将背电极a13用金线与正电极b相连，同样的将正电极b与背电极a13相连。
79.步骤5，组装电池：
80.请参阅图1，本发明将上述各个步骤获得的材料，按照图1所示的结构进行组装获得电池本体，并将组装获得的电池本体安装于如图1中电池壳体6中61处的空腔结构内，然后盖上电池壳盖7，使电池壳体6与电池壳盖7可拆卸连接，即获得封装好的
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池。
81.本实施例中，请参阅图1-2，电池壳体6上设置有卡块62，而电池壳盖7上设置有与所述卡块相匹配的卡槽71，通过卡块62与卡槽71的连接或分开实现电池壳体6与电池壳盖7之间可拆卸连接。
82.请参阅图4，
90
srhfo3:ce源出射的光子被半导体器件b3收集，发生光电效应，产生的电子空穴对在内建电场作用下实现分离，被正、负电极收集形成光生电流。然而
90
srhfo3:ce出射的高能β粒子如果直接沉积到半导体器件a1中，会造成其辐射损伤。为了降低
90
srhfo3:ce出射的β粒子能量，选择让其经过半导体器件b3后再经过lyso闪烁陶瓷的降能，这样沉积在半导体器件a1的gaas中的能量即可小于其辐射损伤阈值，能够有效地避免了半导体的辐射损伤。韧致辐射和特征x射线使
90
srhfo3:ce源出射能够x射线。x射线穿透能力强，经过lyso闪烁陶瓷，可以使其发光，出射的荧光光子再被光伏单元收集，体现了辐致光伏/伏特的双效应的能量转换，减少了环境的破坏。两个光伏器件串联，从而实现了能量利用的最大化。为了有效增加光伏组件可吸收荧光的注量，使得反射回光伏组件表面的荧光增多，选择在
90
srhfo3:ce源的表面增加一层esr银膜，从而增加能量的利用率。
83.综上所述，本发明所述的实施例详细说明了一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池具体的技术方案。需说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，它并不用于限制本发明所述核电池的设计和制备。本发明说明书中，为了简单清晰地阐述结构和原理，附图1、2、3、4只是对于一般性结构和原理进行说明，并非严格按照结构比例绘制。
84.显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，包括电池本体，且所述电池本体包括：半导体器件a(1)，以及其上依次叠层设置的闪烁体层(2)、半导体器件b(3)、放射源层(4)和反射膜(5)；其中，所述闪烁体层(2)为铈掺杂的lyso陶瓷材料；所述放射源层(4)为铈掺杂的含有
90
sr的闪烁陶瓷
90
srhfo3:ce；且所述半导体器件a(1)与所述半导体器件b(3)串联。2.如权利要求1所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述半导体器件a(1)包括：正电极层a(11)；gaasp-n结a(12)，设置于所述正电极层a(11)上；背电极a(13)，设置于所述gaas单结a上(12)；且所述闪烁体层(2)设置于所述背电极a(13)上。3.如权利要求2所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述正电极层a(11)为ito薄膜透明电极，且所述正电极层a(11)的厚度为130nm；所述背电极a(13)为ti/ni/au复合金属层，且所述背电极a(13)的厚度为0.1～50nm。4.如权利要求2所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述gaasp-n结a(12)的厚度为160～180μm；且所述gaasp-n结a(12)由下到上依次为缓冲层a(121)、gaas发射层a(122)、基层a(123)和帽子层a(124)。5.如权利要求1所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述半导体器件b(3)包括：正电极层b(31)，设置于所述闪烁体层(2)上；gaasp-n结b(32)，设置于所述正电极层b(31)上；背电极b(33)，设置于所述gaas单结b(32)上；且所述放射源层(4)设置于所述背电极b(33)上。6.如权利要求5所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述正电极层b(31)为ito薄膜透明电极，且所述正电极层b(31)的厚度为130nm；所述背电极b(33)为ti/ni/au复合金属层，且所述背电极b(33)的厚度为0.1～50nm。7.如权利要求5所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述gaasp-n结b(32)的厚度为160～180μm；且所述gaasp-n结b(32)由下到上依次为缓冲层b、gaas发射层b、基层b和帽子层b。8.如权利要求1所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述反射膜(5)为镀银pet膜。9.如权利要求1所述基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，所述闪烁体层(2)的厚度≥0.075cm。10.如权利要求1-9任意一项所述的基于
90
srhfo3:ce的β辐致伏特/光伏双效应核电池，其特征在于，还包括电池壳体(6)、以及电池壳盖(7)，所述电池壳体(6)与所述电池壳盖(7)之间可拆卸连接，且所述电池壳体(6)内部具有用于安装所述电池本体的空腔结构(61)。

技术总结
本发明属于核电池技术领域，公开一种基于


技术研发人员：陆景彬 崔启明 郑人洲 袁鑫旭 张雪 陈子怡 梁磊 曾玉刚
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/7/27