CN102592696A - 基于液态半导体的夹层结构核电池及制备方法 - Google Patents

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基于液态半导体的夹层结构核电池及制备方法，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。解决了半导体辐射损伤严重和电池寿命过短的问题，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。

Description

基于液态半导体的夹层结构核电池及制备方法
 
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VOC=899mV，短路电流为ISC=0.107μA，最大输出功率Pmax=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。
基于液态半导体的夹层结构核电池的制备方法，包括如下步骤：步骤1、清洗衬底，在衬底上沉积金属层，金属层厚度为1～2μm，作为欧姆接触或肖特基接触；步骤2、在金属层上制作一个由绝缘材料围成的空腔，空腔形状为圆柱形、长方体、正方体或棱柱；步骤3、将液态半导体装载到空腔中；步骤4、在液态半导体和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属和非放射性金属，形成肖特基接触或欧姆接触，制备出下层换能单元；步骤5、按照步骤1、2、3制备出上层换能单元，并与步骤4制备出的下层换能单元封装在一起，完成夹层结构核电池的制备。
进一步地，所述液态半导体为P型半导体，放射性金属的功函小于与液态半导体，金属层的功函大于液态半导体。
进一步地，所述液态半导体为P型半导体，放射性金属的功函大于与液态半导体，金属层的功函小于液态半导体。
进一步地，所述液态半导体为N型半导体，放射性金属的功函大于与液态半导体，金属层的功函小于液态半导体。
进一步地，所述液态半导体为N型半导体，放射性金属的功函小于与液态半导体，金属层的功函大于液态半导体。
本发明中所述基于液态半导体的夹层结构核电池，其工作原理为：放射性金属（或金属层）与液态半导体形成肖特基结，附近产生内建电场，放射性同位素源衰变产生的α、β或γ粒子入射到液态半导体材料中，产生大量的电子空穴对，这些电子空穴对在内建电场的作用下分离，通过欧姆接触（或肖特基接触）电极和肖特基接触（或欧姆接触）电极外接负载后形成电流，即实现衰变能到电能的转变。欧姆接触和肖特基接触为对应关系。
有益效果：
一、本发明中所述放射性金属既能起到提供衰变能的作用，又能起到形成肖特基结（或欧姆接触）的作用，保证衰变产生的α、β或γ粒子能无损耗的直接进入液态半导体，增加了电子空穴对的数目，最终提升电池性能；此外所述放射性金属采用长寿命放射性同位素源，保证了核电池能够长时间工作。
二、本发明所述核电池采用的为夹层结构，放射性同位素源位于上下两层换能单元之间，最大限度的保证了放射源衰变粒子的利用率。
三、本发明半导体材料采用为液态半导体，在这种电源中，不仅可以提供有效的收集机制，而且弥补了固态半导体转换装置模式下常见的晶格退化和破损。此外由于半导体为液态，其与电极金属的接触的更为紧密，即半导体可以完全“浸湿”金属表面，从而极大降低了欧姆接触的接触电阻。
综上所述最后给出的基于液态半导体的夹层结构核电池具有耐辐射性强、寿命长、工艺简单等特点，而且放射源衰变粒子利用率高，可用于将衰变能直接转换为电能，具有广阔的应用前景。
 
附图说明
图1 是基于液态半导体的夹层结构核电池示意图；
图2 是基于液态半导体的夹层结构核电池的横切面图；
图中标号名称：
1-衬底；2-金属层；3-液态半导体；4-绝缘材料；5-放射性金属；6-非放射性金属；11-欧姆接触（或肖特基接触）电极；12-肖特基接触（或欧姆接触）电极。
 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1和图2显示了其基本结构，图1为纵向剖面图，图2为横向剖面图。如图所示，本发明的基于液态半导体的夹层结构核电池，包括耐温值不低于1000℃的玻璃衬底1，金属镍或铝层2，液态半导体3，绝缘材料4：氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷，放射性金属镍-63或钷-147 5，非放射性金属镍或钷6；所述放射性金属5与非放射性金属6为一体结构，且放射性金属5设于非放射性金属6中间；绝缘材料4、金属层2和衬底1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3设于绝缘材料的空腔内；所述放射性金属5与液态半导体3形成肖特基接触或欧姆接触、金属层2与液态半导体3形成欧姆接触或肖特基接触；所述放射性金属5的面积与绝缘材料4的空腔接触面积一致；所述放射性金属5和非放射性金属6的表面积之和分别与衬底1、金属层2一致；所述绝缘材料4与金属层2接触部位的外周轮廓所辖表面积小于金属层2的表面积。上述液态半导体4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Ⅵ族元素为氧、硫、硒和碲。
上述基于液态半导体的夹层结构核电池可通过以下方法制备得到：
实施例1
（1）选取耐1000℃玻璃为衬底，做清洗，在衬底上沉积一层金属铝，厚度为2μm，作为欧姆接触；
（2）在金属铝上制作一个由氧化铝陶瓷围成的空腔，空腔形状为圆柱形，空腔深度为30μm；
（3）制备硫碲共晶熔体，具体制作方法可参见《V.M.Glazov，Liquid Semiconductors》,作为N型液态半导体，将其装载到空腔中；
（4）在硫碲共晶混合体和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属镍-63和非放射性金属镍，厚度为4μm，形成肖特基接触，制备出下层换能单元；
（5）按照附图1的结构，根据步骤（1）、（2）、（3）制备出上层换能单元，并与步骤（4）制备出的下层换能单元封装在一起，完成夹层结构核电池的制备。放射性金属镍-63的面积与绝缘材料氧化铝陶瓷4的空腔接触面积一致；放射性金属镍-63和非放射性金属镍的表面积之和分别与衬底、金属铝层一致；绝缘材料氧化铝陶瓷与金属铝层接触部位的外周轮廓所辖表面积小于金属铝层的表面积。
测试结果表明，采用夹层结构的液态半导体核电池的每平方厘米最大输出功率达毫瓦级，能量转化率在5%以上，且可在大于镍-63半衰期的时间上稳定的工作，而无需担心因辐射损伤造成电池性能下降的问题。
 
实施例2
本实例与例1除以下几个地方不同之外，其他均一致。
（1）选取耐1000℃玻璃为衬底，做清洗，在衬底上沉积一层金属镍，厚度为2μm，作为肖特基接触；
（2）在金属镍上制作一个由氮化硅陶瓷围成的空腔，空腔形状为正方体形，空腔深度为100μm；
（4）在硫碲共晶混合体和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属钷-147和非放射性金属钷，厚度为10μm，形成欧姆接触，制备出下层换能单元；
测试结果表明，采用夹层结构的液态半导体核电池的每平方厘米最大输出功率达毫瓦级，能量转化率在6%以上，且可在大于钷-147半衰期的时间上稳定的工作，而无需担心因辐射损伤造成电池性能下降的问题。
 
实施例3
（1）选取耐1000℃玻璃为衬底，做清洗，在衬底上沉积一层金属镍，厚度为2μm，作为欧姆接触；
（2）在金属镍上制作一个由碳化硅陶瓷围成的空腔，空腔形状为长方体形，空腔深度为100μm；
（3）制备液态半导体硒，具体制作方法可参见《V.M.Glazov，Liquid Semiconductors》，作为P型液态半导体，将其装载到空腔中；
（4）在液态半导体硒和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属钷-147和非放射性金属钷，厚度为10μm，形成肖特基接触，制备出下层换能单元；
（5）按照附图1的结构，根据步骤（1）、（2）、（3）制备出上层换能单元，并与步骤（4）制备出的下层换能单元封装在一起，完成夹层结构核电池的制备。放射性金属钷-147的面积与绝缘材料碳化硅陶瓷4的空腔接触面积一致；放射性金属钷-147和非放射性金属钷的表面积之和分别与衬底、金属镍层一致；绝缘材料碳化硅陶瓷与金属镍层接触部位的外周轮廓所辖表面积小于金属镍层的表面积。
测试结果表明，采用夹层结构的液态半导体核电池的每平方厘米最大输出功率达毫瓦级，能量转化率在7%以上，且可在大于钷-147半衰期的时间上稳定的工作，而无需担心因辐射损伤造成电池性能下降的问题。
 
实施例4
本实例与例3除以下几个地方不同之外，其他均一致。
（1）选取耐1000℃玻璃为衬底，做清洗，在衬底上沉积一层金属铝，厚度为2μm，作为肖特基接触；
（2）在金属铝上制作一个由氧化铝陶瓷围成的空腔，空腔形状为棱柱形，空腔深度为30μm；
（4）在液态半导体硒和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属镍-63和非放射性金属镍，厚度为4μm，形成欧姆接触，制备出下层换能单元。
测试结果表明，采用夹层结构的液态半导体核电池的每平方厘米最大输出功率达毫瓦级，能量转化率在5%以上，且可在大于镍-63半衰期的时间上稳定的工作，而无需担心因辐射损伤造成电池性能下降的问题。

Claims (9)

1.一种基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于包括衬底（1）、金属层（2）、液态半导体（3）、绝缘材料（4）、放射性金属（5）和非放射性金属（6），所述放射性金属（5）与非放射性金属（6）为一体结构，且放射性金属（5）设于非放射性金属（6）中间；绝缘材料（4）、金属层（2）和衬底（1）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（3）设于绝缘材料的空腔内；所述放射性金属（5）与液态半导体（3）形成肖特基接触或欧姆接触、金属层（2）与液态半导体（3）形成欧姆接触或肖特基接触；所述放射性金属（5）的面积与绝缘材料（4）的空腔接触面积一致；所述放射性金属（5）和非放射性金属（6）的表面积之和分别与衬底（1）、金属层（2）一致；所述绝缘材料（4）与金属层（2）接触部位的外周轮廓所辖表面积小于金属层（2）的表面积。
2.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述液态半导体（4）所用材料含有Ⅵ族元素，所述Ⅵ族元素为氧、硫、硒和碲。
3.如权利要求2所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述液态半导体（4）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。
4.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述衬底（1）为玻璃，所述玻璃的耐温值不低于1000℃。
5.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述金属层（2）为镍或铝。
6.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述放射性金属（5）为放射性金属镍-63或放射性金属钷-147。
7.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述非放射性金属（6）为非放射性金属镍或非放射性金属钷。
8.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池，其特征在于：所述绝缘材料（4）为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。
9.如权利要求1所述的基于液态半导体的夹层结构核电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、清洗衬底，在衬底上沉积金属层，金属层厚度为1～2μm，作为欧姆接触或肖特基接触；
步骤2、在金属层上制作一个由绝缘材料围成的空腔，空腔形状为圆柱形、长方体、正方体或棱柱；
步骤3、将液态半导体装载到空腔中；
步骤4、在液态半导体和绝缘材料上加载一层镀制的放射性金属和非放射性金属，形成肖特基接触或欧姆接触，制备出下层换能单元；
步骤5、按照步骤1、2、3制备出上层换能单元，并与步骤4制备出的下层换能单元封装在一起，完成夹层结构核电池的制备。
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