CN101236794A - 非晶硅碳薄膜核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了将核能转换成电能的原子电池的一种新颖设计。基于非晶硅或其合金的D伏(beta－voltaic)核电池，具有p－i－n型半导体薄膜的器件结构，含氚的β放射性元素放置在氚化非晶硅或其合金所构成的p层和n层之中，而i层由不含氚的，宽能带隙的本征氢化非晶硅碳合金(intrinsic a－SiC)所组成。这种设计使得基于非晶硅类型的β伏核电池的效率和稳定性都被极大地提高。

Description

非晶硅碳薄膜核电池

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。

基于非晶硅的具有p-i-n型结构的β伏装置的性能，一个十分致命的局限性是非晶硅i层具有相当高密度的暗载流子(导电性)。因此，由β辐射产生的载流子可以轻易地和暗载流子复合而消失(电子和空穴结合而消失)，这导致了载流子的超额损耗和较低的β能向电能的转换效率。

因此，常规设计的具有非晶硅i层的β伏核电池的实用性极低，我们必须找到一个稳定的且功率高的核电池。本发明提出制成一种新型、基于硅薄膜、性能改善的p-i-n型β伏核电池的i层。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的是：提供一个具有优良能量转换效率的，基于非晶硅的具有p-i-n型结构的β伏装置。

本发明的进一步目的是，提供一个基于非晶硅的具有p-i-n型结构的，稳定性被极大改善的β伏核电池。

为了达到上述目的，具有宽带隙和低导电性的非掺杂的氢化非晶硅被加入到p-i-n型β伏器件的i层。非晶硅碳具有低的电子缺陷密度和低的暗载流子密度(在没有光照条件下)。非晶硅碳i层确保了核辐射产生的载流子(电子和空穴)不容易和暗载流子复合，这样绝大多数的β伏电流可被外部电路收集。此外，β辐射源由基于氚化非晶硅的p层和n层组成。因此，由于i层外面的整个β衰变过程阻止了所有对i层的损坏，p-i-n型器件中的无氚非晶硅碳i层具有优良的稳定性。

本发明的主要特点是用一个宽带隙的非晶硅碳合金(a-SiC)替代了常规β伏器件中采用非合金的非晶硅作为i层。碳的含量拓宽了i层的带隙，导致了器件较低的暗电流并抑制了载流子的复合。另外，非晶硅的宽带隙形成了器件较高的电压。这些特性导致了更高的β电转换效率。

我们注意到，由于太阳光照射下光伏装置中的β辐射强度与光子流量相比很低，作为一个p-i-n型太阳能电池中的i层，宽带隙的非晶硅碳的不稳定性对β伏器件并不是问题，因为与β粒子辐射相关的复合被大大减少了。因此，对一种高性能的非晶硅碳β伏器件的唯一的要求是它的低电子缺陷密度。从这个意义上讲，相对低的沉积温度，相当高的氢对硅烷的稀释比例，和在非晶硅碳i层等离子体化学气相沉积中的甲烷含量都是必需的.

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1显示的是一个具有宽带隙的基于非晶硅碳本征i层的单结p-i-n型β伏器件。

图2显示的是每个p-i-n型的单结都具有宽带隙的基于非晶硅碳的本征i层的多结p-i-n型β伏器件的层状结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于非晶硅的p-i-n型核电池结构是：一个硼掺杂的氚化非晶硅碳(a-SiC:T)所制成的p层6，一个磷掺杂的基于氚化硅薄膜的n层9(比如氚化非晶硅，a-Si:T)，和一个非掺杂的氢化非晶硅碳构成的i层8。根据此核电池的设计，β辐射源于p层6及n层9之中的氚，而不含氚的i层被夹在它们之间，接受β辐射而产生电子空穴对。构成基于硅薄膜的p层6和n层9的具体材料可以变化，比如氚化纳米硅或氚化非晶硅氧合金，这些薄膜皆同时含有氚和氢。最关键的是，构成i层8的氢化非晶硅碳必须有足够高的能带隙(energybandgap)，最好大于1.9eV，使其导电率远低于不含碳的非晶硅，且同时具有相近于高质量的非晶硅的低电子缺陷密度。

为了产生足够的β伏器件输出功率，掺杂的p层6和n层9中的氚浓度必须足够高，达到10-30％的原子浓度百分比例。这种浓度可以用硅烷和氚气在高气压和相当低的温度(200度以下)用等离子体化学气相沉积法生成非晶硅薄膜而获得。进一步地说，理想的掺杂层p层6和n层9的膜片厚度是在20-200纳米范围内，就可以为i层8产生最大量的β辐射。没有氚或者任何其它放射性元素的非晶硅碳i层8的厚度最好是在200-500纳米的范围之内。

当然，非晶硅碳β伏器件也可以使用外置β辐射源来产生电能。例如含有β辐射材料氚、镍、铍的物质层可被分别放置在p层和n层的两边，以增大对i层8的辐射强度和增加β伏器件的输出功率。

如图2所示意，数个p-i-n型非晶硅碳β伏单元可被叠加在一起而构成一个多结β伏核电池。多结核电池是由一组电池首尾(p层和n层)相连接构成的。每结电池都是由下列部分组成：基于氚化硅薄膜的p层6，基于氚化硅薄膜的n层9，及置于两者之间的由宽带隙本征非晶硅碳构成的i层8。前节电池的n层被紧密连接在后节电池的p层，从而使得相邻电池的p层6和n层9具有良好的、无障碍的电接触性。

多结p-i-n型的β伏电池被紧密有序的连接起来，多结核电池的总电压就是单个电池的电压之和。因此，即使每结电池只有很小的电压，但是如果使用多结电池串接起来，多结电池的电压可以被大大增加。而且许多个多结电池(它们都是由具有图2所示结构的多个电池组成)可以被串接起来从而进一步增大提供给外界附载的功率。

多结电池结构的另一个优势是增加由p层6和n层9提供的β辐射的利用率。在单个p-i-n型电池里(如图1所示)，一半以上由p层或n层释放的自由导向的β辐射被i层接收。从另一个方面来说，在多结电池构造里，绝大部分的由掺杂层(p层和n层)释放的β粒子必须穿过至少一个邻近的i层。

实际上，非晶硅碳i层的形成与非晶硅i层的形成很相似。在等离子体化学气相沉积过程中，硅烷和甲烷与氢(SiH₄，CH₄，H₂)混合，在适当的等离子力下生成非晶硅碳。高质量的非晶硅碳i层的生长速率可达到0.5nm/sec。

Claims (4)

1. 一个p-i-n型β伏电池，它由下列基于硅的薄膜层构成：

a)一个β活性p层，由氚原子浓度高于8％的硼掺杂的氚化非晶硅或氚化非晶硅的合金组成，包括具有宽能带隙的氚化非晶硅碳薄膜；

b)一个β活性n层，由氚原子浓度高于6％的磷掺杂的氚化硅或氚化硅合金组成，包括氚化非晶硅和氚化纳米硅薄膜；

c)一个本征i层，由不含氚的、非掺杂的、能带隙大于1.85eV的氢化非晶硅碳合金构成，其厚度在200-500纳米范围之内，其并被放置在所述β活性p层和所述β活性n层之间，其特征为：具有远远低于本征非晶硅的导电性，且具有与本征非晶硅相近的低电子缺陷浓度。

2. 一种根据权利要求1所述的p-i-n型β伏电池，其特征在于：所述β活性p层和所述β活性n层的厚度在20-200纳米范围之内，氚的原子浓度在12-36％范围之内。

3. 一个p-i-n型β伏电池，它由下列薄膜层构成：

a)一个第一β放射性接触层，具有足够大的导电率；

b)一个p层，由硼掺杂的非晶硅或非晶硅合金组成，包括具有宽能带隙的氚化非晶硅碳，其厚度在12-100纳米范围之内，并被放置在所述的第一β放射性接触层上；

c)一个本征i层，由不含氚的、非掺杂的、能带隙大于1.85eV的氢化非晶硅碳合金构成，其厚度在150-400纳米范围之内，并被放置在所述的p层之上，其特征在于：具有远远低于本征非晶硅的导电性，且具有与本征非晶硅相近的低电子缺陷浓度；

d)一个n层，由磷掺杂的薄膜硅或薄膜硅合金组成，包括氚化非晶硅和氚化纳米硅，其厚度在16-120纳米范围之内，并被放置在所述的i层之上；

e)一个第二β放射性接触层，具有足够大的导电率，并被放置在所述n层之上。

4. 一个多结β伏电池，其特征在于：由多个重叠在一起的p-i-n型β伏电池而组成，其中至少有一节电池是根据权利要求1或权利要求3所述的p-i-n型β伏电池。

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