CN102306511B - 一种高输出能量的复合同位素电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高输出能量的复合同位素电池及其制备方法，属于微机电系统中的能源领域。本发明的结构包括：液体半导体、放射性同位素金属、PN结。制备步骤为：先制作液体半导体；在液体半导体四周覆盖放射性同位素金属作为其外壳，形成基于肖特基势垒的液体半导同位素微电池；在液体半导同位素微电池外壳上覆盖PN结，形成基于β福特效应的同位素微电池；将液体半导同位素微电池和同位素微电池串联或并联后封装，形成一种高输出能量的复合同位素电池。该方法能够充分利用放射性同位素的辐射能，从而使复合同位素微电池的能量密度高，输出能量成倍提高。并且该方法制作工艺简单，成本较低，输出稳定。

Description

一种高输出能量的复合同位素电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高输出能量的复合同位素电池及其制备方法，属于微机电系统中能源领域。

背景技术

近年来，人们对微小型机电系统的研究异常活跃。微能源是微系统发展中的一个瓶颈问题，研究高效、长寿命的微能源是微系统发展中一直追求的目标。世界各国都相继开展了微能源的研究工作，制作出许多微能源。如微型燃料电池、微型内燃机系统、微型太阳能电池、微型同位素微电池等。同位素微能微电池则显示出其特有的优势，如体积小(微米量级)、寿命长(可达十几甚至几十年)、稳定性好，能量密度高等优点，成为微能源系统研究的一个新方向。

为了获得具有高的输出能量的同位素微电池，研究者尝试了多种半导体材料，如硅、多孔硅等常规半导体，以及各种高禁带的半导体，如SiC，4H-SiC，InGaP等，理论上高禁带半导体PN结在辐照下可具有更高的输出电压，因此相对于常规半导体Si等材料可以获得更高的输出能量，但是其输出的能量无法满足实际需求。

与此同时，为了获得高输出能量的同位素微电池，研究者还研究了多种能量转换结构，如现阶段研究最广泛的基于β伏特效应的PN结能量转换结构和基于压电效应的悬臂梁振动结构，以及基于液体半导体的能量转换方式。其中基于β伏特效应的PN结能量转换方式由于放射源和半导体材料选择的限制输出能量较低；基于压电效应的悬臂梁振动结构虽然输出能量有所提高，但是容易受到外界环境的影响；液体半导体的能量转换方式是一种提高同位素电池输出能量的有效方法，但是现阶段的液体同位素电池是在液体半导体中掺杂放射性同位素颗粒，由于需要考虑液体半导体和同位素的晶格是否匹配问题，所以限制了二者的选择，同时掺杂浓度也不能太高，这样就大大缩小了同位素电池的输出能量，无法达到实际需求。

发明内容

本发明的目的是为了获得具有更高输出能量和能够满足实际需求的同位素微电池，而提出了一种高输出能量的复合同位素电池及其制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种高输出能量的复合同位素电池，包括：液体半导体、放射性同位素金属、PN结。

所述的液体半导体为常见的液体半导体材料，如Se、As、Te以及其化合物等。

所述的放射性同位素金属为功函数≥4.5eV的金属，如Ni、Au等。该放射性同位素金属为该高输出能量的复合同位素电池的放射源。

所述的PN结为常见的半导体材料所形成的PN结，如单晶硅、非晶硅等常规半导体，GaN、4H-SiC、SiC等宽禁带半导体，以及GaAs等。

其连接结构为：放射性同位素金属将液体半导体包覆其中，放射性同位素金属与液体半导体形成肖特基，从而形成基于肖特基势垒的同位素微电池；将PN结覆盖在外部，与放射性同位素金属形成基于β伏特效应的PN结同位素微电池；两者结合起来，从而使该同位素微电池的输出能量成倍的增加，达到实际的需要。

本发明的一种高输出能量的复合同位素电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作液体半导体，具体制作方法可参见《V.M.Glazov，Liquid Semiconductors》；

步骤二、将放射性同位素金属制作成所需形状的中空密闭容器，制得放射性同位素金属容器；

步骤三、将步骤一所得的液体半导体注入到步骤二所得的放射性同位素金属容器中，并形成基于肖特基势垒的液体半导同位素微电池；

步骤四、在步骤三所得的液体半导同位素微电池的外壳上覆盖PN结，形成基于β福特效应的同位素微电池；

步骤五、将步骤三所得的液体半导同位素微电池和步骤四所得的同位素微电池根据需要串联或并联后封装，形成一种高输出能量的复合同位素电池。

有益效果：

1、本发明的一种高输出能量的复合同位素电池，采用在液体半导体的四周分布放射源的方式来为其中的液体半导体提供能量源，该方式扩大了放射源的选择；同时也可以采用高活度和高能量的放射源，能够在更大程度上为液体半导体提供辐射所产生的β粒子或者α粒子，从而使同位素电池产生更高的能量；

2、本发明的一种高输出能量的复合同位素电池，所采用的放射性金属与液体半导体直接形成肖特基势垒，这样能够避免现阶段所研究的同位素电池边界复合等问题对同位素电池输出性能的影响，从而使同位素电池产生更高的能量；

3、本发明的一种高输出能量的复合同位素电池，在放射性同位素四周覆盖PN结半导体，形成基于β效应的同位素电池，进一步充分利用放射性同位素，从而使同位素电池产生更高的能量；

4、本发明的一种高输出能量的复合同位素电池的制备方法，具有制作工艺简单，成本较低等优点。

附图说明

图1为本发明的一种高输出能量的复合同位素电池的俯视图：

图2为本发明的一种高输出能量的复合同位素电池的剖面图：

图中，1-液体半导体；2-放射性同位素金属；3-PN结半导体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一种高输出能量的复合同位素电池，其结构包括：液体半导体(1)、放射性同位素金属(2)、PN结半导体(3)，见图1.

所述的液体半导体(1)为Te。

所述的放射性同位素金属(2)为Pm-147。

所述的PN结(3)为常见的半导体材料所形成的GaAs PN结。

其连接结构为：放射性同位素金属Pm将液体半导体Te包覆其中，同时该放射性同位素金属Pm与液体半导体Te形成肖特基，从而形成基于肖特基势垒的同位素微电池；GaAs PN结覆盖在放射性同位素金属Pm的外部，并且与放射性同位素金属Pm形成基于β伏特效应的PN结同位素微电池；两者串联起来，从而使该同位素微电池的输出能量成倍的增加，达到实际的需要。

本发明的一种高输出能量的复合同位素电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作液体半导体Te；

步骤二、将放射性同位素金属Pm-147制作成所需形状的中空密闭容器，制得放射性同位素金属容器；

步骤三、将步骤一所得的液体半导体Te注入到步骤二所得的放射性同位素金属容器中，并形成基于肖特基势垒的液体半导同位素微电池；

步骤四、在步骤三所得的液体半导同位素微电池的外部覆盖GaAsPN结，形成基于β福特效应的同位素微电池；

步骤五、将步骤三所得的液体半导同位素微电池和步骤四所得的同位素微电池串联后封装，形成一种高输出能量的复合同位素电池。

该高输出能量的复合同位素电池所采用的放射源为高能量的Pm-147，其最大能量为230keV，平均能量为73keV，此放射源是现有液体半导体同位素电池无法采用的；同时在放射源外覆盖了GaAsPN结，因此该高输出能量的复合同位素电池输出能量可以达到几百微瓦甚至毫瓦量级。

当采用更高能量的放射源时，如α源，该复合同位素电池输出能量将达到几十到几百毫瓦，可以完全满足微电子的需求。

Claims (3)

1.一种高输出能量的复合同位素电池，其特征在于：包括液体半导体、放射性同位素金属、PN结；其连接结构为：放射性同位素金属将液体半导体包覆其中，放射性同位素金属与液体半导体形成肖特基，从而形成基于肖特基势垒的同位素微电池；将PN结覆盖在外部，与放射性同位素金属形成基于β伏特效应的PN结同位素微电池；两者结合起来，制成高输出能量的复合同位素电池。

2.如权利要求1所述的一种高输出能量的复合同位素电池，其特征在于：所述的放射性同位素金属为功函数≥4.5eV的金属。

3.一种高输出能量的复合同位素电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、制作液体半导体；

步骤二、将放射性同位素金属制作成所需形状的中空密闭容器，制得放射性同位素金属容器；

步骤三、将步骤一所得的液体半导体注入到步骤二所得的放射性同位素金属容器中，并形成基于肖特基势垒的液体半导同位素微电池；

步骤四、在步骤三所得的液体半导同位素微电池的外壳上覆盖PN结，形成基于β福特效应的同位素微电池；

步骤五、将步骤三所得的液体半导同位素微电池和步骤四所得的同位素微电池根据需要串联或并联后封装，制成一种高输出能量的复合同位素电池。

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