CN103996422A - 一种荧光核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光核电池，包括密封外壳、放射源、半导体光伏组件、荧光层；所述荧光层包括玻璃基底及设置于玻璃基底上的荧光粉层，所述密封外壳内部设置一旋转支架，旋转支架的旋转轴过密封外壳的中心，所述半导体光伏组件固定于密封外壳的内壁，所述放射源通过旋转支架固定于密封外壳的中心，半导体光伏组件与放射源之间设置荧光层，所述荧光层对称固定于旋转支架上，且荧光层的荧光粉层相对设置，至少有一对荧光层的荧光粉层与放射源的放射面相对。采用双面放射源或块状、棒状等体放射源的方式，使得放射源的放射面至少作用于两个荧光层单元，有效提高电池单位面积的输出功率，并延长电池的可持续使用寿命。

Description

一种荧光核电池

技术领域

本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及荧光核电池。

背景技术

核电池，又称为同位素电池，是一种利用放射源衰变释放的载能粒子(如α、β粒子和γ射线)或者衰变产生的热能转换成所需电能的装置。因其长寿命、小尺寸、重量轻、环境适应能力强、工作温度范围宽和输出功率稳定等优势，在超低功率装置和自动控制系统等很多领域，尤其是一些更换和维修较为困难的恶劣环境下具备着极大的潜在利用价值。

1957年，Elgin-Kidde首次基于“Beta-Voltaic Effect”现象(Rappaport，1953)利用¹⁴⁷Pm、荧光粉和硅光电池组成同位素微电池，应用在电源供应方面。自此，人们便逐步揭开辐致光伏效应核电池的面纱。该类型核电池采用间接换能结构，利用放射源释放的衰变粒子激发荧光物质产生荧光，然后通过光伏材料的光电效应收集转换成电能。

2002年，K.E.Bower等人在“Polymers,phosphors,and voltaics for radioisotopemicrobatteries”一书中提到一种辐致光伏效应核电池的设计方案(Bower K E,Barbanel Y A,Shreter Y G,et al.Polymers,phosphors,and voltaics for radioisotope microbatteries.Boca Raton(USA):CRC Press,2002,210-348)，即在涂有荧光物质管内填充气态氚。在上述方案中利用氚作为激发源，虽然气态氚源与荧光物质的有效接触面积较大，但也存在自吸收效应显著、原料较昂贵、器件不易制备和气体压强较难控制等因素限制。而且，对于目前辐致荧光核电池结构，特别是对于平板状叠层类型的装置，其自身存在的材料种类单一、放射源利用率低等问题也较突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种荧光核电池，通过在核电池的密封结构内部设置旋转支架及对称设置的荧光层，采用双面放射源或体放射源的方式，使得放射源的放射面至少作用于两个荧光层单元，不仅有效提高电池单位面积的输出功率，解决荧光核电池中放射源利用率低等问题，而且在采用不同发光材料的荧光层时，可拓宽辐致荧光的发射波长，延长电池的使用寿命。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种荧光核电池，包括密封外壳、放射源、半导体光伏组件、荧光层；所述荧光层包括玻璃基底及设置于玻璃基底上的荧光粉层，所述密封外壳内部设置一旋转支架，旋转支架的旋转轴过密封外壳的中心，所述半导体光伏组件固定于密封外壳的内壁，所述放射源通过旋转支架固定于密封外壳的中心，半导体光伏组件与放射源之间设置荧光层，所述荧光层对称固定于旋转支架上，且荧光层的荧光粉层相对设置，至少有一对荧光层的荧光粉层与放射源的放射面相对。

所述光伏半导体组件的窗口层材料与空气界面之间设置TiO₂/Al₂O₃双层介质膜。

所述放射源为双面放射源或者块状、棒状体放射源。

所述荧光层通过如下方法制备：

步骤1、在硅酸钾溶液中加入荧光粉充分搅拌，再加入硝酸钡溶液,继续搅拌，然后将混合液倒至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；

步骤2、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获得所需荧光层。

步骤1中所述的硅酸钾溶液质量浓度为0.5-2％；

所述的硝酸钡溶液质量浓度为0.1-0.5％；

所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与荧光粉的质量与荧光层的厚度根据如下公式设置：m＝ρsh，其中m为荧光粉的质量，ρ为荧光粉的密度，s为玻璃器皿的底面积，h为荧光层的厚度；

所述的自然沉降时间为1-5h；

步骤2中的烘干温度为200-300℃，烘干时间为0.5h。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、利用双面放射源和旋转支架固定荧光层的结构，可使电池结构紧凑，提高放射源利用率。

2、采用物理沉降法或者胶粘复合法制备荧光层，工艺相对简单，易于实现。

3、采用荧光层作为辐射能到电能的中间换能媒介，半导体不受放射性粒子的电离辐射，可以有效地消除光伏组件换能单元的辐照损伤，延长核电池的使用寿命。

4、采用多接面的光伏组件，可以有效增加光谱接受范围，提高荧光核电池的能量转换效率。

附图说明

图1是基于转轮结构的辐致荧光核电池示意图。

图2是基于转轮结构的辐致荧光核电池俯视图。

图3是本发明提出的基于转轮结构的辐致荧光核电池立体图。

图4是实施例中例2所制得的核电池示意图。

图5是实施例中例3所制得的核电池示意图。

图6是实施例中例4所制得的核电池示意图。

其中，图中标号为：1-不锈钢包壳材料；2-半导体光伏组件；3-减反射材料；4-转轮装置；5-荧光层；6-放射源。

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：

一种荧光核电池，包括密封外壳、放射源、半导体光伏组件、荧光层；所述荧光层包括玻璃基底及设置于玻璃基底上的荧光粉层，所述密封外壳内部设置一旋转支架，旋转支架的旋转轴过密封外壳的中心，所述半导体光伏组件固定于密封外壳的内壁，所述放射源通过旋转支架固定于密封外壳的中心，半导体光伏组件与放射源之间设置荧光层，所述荧光层对称固定于旋转支架上，且荧光层的荧光粉层相对设置，至少有一对荧光层的荧光粉层与放射源的放射面相对。

图1和图2给出了本发明所述旋转支架采用转轮结构的荧光核电池，包括：不锈钢包壳材料1、半导体光伏组件2、减反射材料3、转轮装置4、荧光层5、放射源6。其中转轮装置4、荧光层5和放射源6组成内部可运动结构，不锈钢包壳材料1、半导体光伏组件2和减反射材料3组成外部固定结构。

其中作为光电转换单元的半导体层2可根据不同材料的荧光层的发射波长加以调整。本实施例中选取采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的，结构紧凑且便于集成的InGaP/GaAs/Ge三接面光伏组件。半导体光伏组件的接触电极有前电极和背电极两种。前电极是由Au/Ge/Ni金属体系制作而成，结构设计采用梳状密栅式，主栅位于电池边缘，垂直于细栅。该半导体层的受光面粘附一层减反射层，使荧光尽可能多的照射到光伏组件的有效作用区。荧光层5为基于辐致荧光效应的发光效率较高的荧光粉材料，该荧光层设于转轮装置的内侧，且在设计时厚度应小于或等于放射性粒子在荧光层中的射程。转轮装置的中心是放射源，当其为双面源时，可向上下两个方向衰变释放α或β放射性粒子作用于荧光层。

所述不锈钢包壳材料1是用于制备装载电池的空腔和密封盖材料，组成转轮结构的辐致荧光核电池的外围结构。既可作为电池的承载、包壳装置，又可在运用过程中起保护、屏蔽作用。另外，可根据实际需要改变其形状、深度和厚度等属性设计，更好地完成核电池的制备封装工作。

上述基于转轮结构的辐致荧光核电池可通过以下方法制备得到：

实施例1

步骤一、选取尺寸为30mm*30mm*0.5mm，透光率为95％，耐1000℃的石英玻璃片为荧光粉层的基底，用去离子水和酒精多次清洗；

步骤二、采用物理沉降技术在所述衬底上沉积一层厚度为70μm的ZnS:Cu荧光层5，将沉积后的样品放置在250℃温度下烘干30分钟，待其自然冷却至常温即可取出，完成辐致荧光层的制备，整个制备环境为常压；

步骤三、按照附图1的结构，将制备的荧光层加载至转轮装置的四个卡槽内，固定并调整至合适的角度；

步骤四、在转轮装置的中心位置加载一层镀制了的放射性金属镍-63和非放射性金属镍的双面源，厚度约为5μm；

步骤五、制备InGaP/GaAs/Ge三接面半导体层，具体制作方法可参见专利《一种高效多结太阳能电池的制备方法》，并在其顶电池表面增设一层减反射层，在光伏组件表面粘附一层可聚光的透明胶，并将接触电极用连接线焊接，布置引线；

步骤六、制备核电池的外围包壳装置，按照图1、图2和图3的结构，依次将电池的各个单元套入在不锈钢材料1内，并利用螺丝钉等连接手段将整个装置固定，完成基于转轮结构的辐致荧光核电池的制备。放射源镍-63的活性区面积略小于荧光层的表面积，半导体层的光吸收表面积小于荧光层的表面积。

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。

步骤一、选取常温下粘度在4500～5500MPa·s的无色透明环氧树脂和粘度在350～500MPa·s无色透明固化剂，并对辐致荧光粉进行前处理，在50-60℃预热一段时间；

步骤二、采用胶粘复合技术将环氧树脂和固化剂按照重量比2:1混合，掺入0.16g的ZnS:Cu辐致荧光粉搅拌均匀，加温固化，待冷却之后除去边角并修剪成合适尺寸，完成荧光层制备；

步骤六、制备核电池的外围包壳装置，按照图4的结构，依次将电池的各个单元套入在不锈钢材料1内，并利用螺丝钉等连接手段在整个外围结构上方加载密封盖，将整个装置固定，完成基于转轮结构的辐致荧光核电池的制备。放射源镍-63的活性区面积略小于荧光层内侧的表面积，半导体层的光吸收表面积小于荧光层外侧的表面积。

实施例3

本实例与例1除以下几个地方不同之外，其他均一致。

步骤二、采用物理沉降技术在石英玻璃衬底上沉积一层厚度为91μm的Y₂O₂S:Eu荧光层5，将沉积后的样品放置在250℃温度下烘干30分钟，待其自然冷却至常温即可取出，完成荧光层的制备，整个制备环境为常压；

步骤四、在转轮装置的中心位置加载一层镀制了的放射性金属钷-147和非放射性金属钷的长方体源，尺寸为30mm*30mm*100mm；

步骤六、制备核电池的外围包壳装置，按照图5的结构，依次将电池的各个单元套入在不锈钢材料1内，并利用螺丝钉等连接手段在整个外围结构上方加载密封盖，将整个装置固定，完成基于转轮结构的辐致荧光核电池的制备。放射源钷-147的活性区面积与荧光层的表面积一致，半导体层的光吸收表面积小于荧光层的表面积。

实施例4

本实例与例1除以下几个地方不同之外，其他均一致。

步骤一、选取常温下粘度在4500～5500MPa·s的无色透明环氧树脂和粘度在350～500MPa·s无色透明固化剂，并对辐致荧光粉进行前处理，在50-60℃预热一段时间；

步骤二、采用胶粘复合技术将环氧树脂和固化剂按照重量比2:1混合，分别掺入0.16g的ZnS:Cu和Y₂O₂S:Eu辐致荧光粉搅拌均匀，加温固化，待冷却之后除去边角并修剪成合适尺寸，完成荧光层制备；

步骤三、按照附图1的结构，将制备的荧光层分别加载至转轮装置的四个卡槽内，固定并调整至合适的角度，其中ZnS:Cu和Y₂O₂S:Eu荧光层呈交替摆放；

步骤四、在转轮装置的中心位置加载一圆棒状放射源镍-63，直径约为3mm；

步骤六、制备核电池的外围包壳装置，按照图6的结构，依次将电池的各个单元套入在不锈钢材料1内，并利用螺丝钉等连接手段在整个外围结构上方加载密封盖，将整个装置固定，完成基于转轮结构的辐致荧光核电池的制备。放射源镍-63的活性区面积与荧光层内侧的表面积一致，半导体层的光吸收表面积小于荧光层外侧的表面积。

基于转轮结构的辐致荧光核电池便是在现有基础上提出的改进，其可有效解决上述问题。不同的荧光材料，其耐辐照性能、辐致荧光性能和发光光谱的发射波长均各有差异，针对不同的应用，需求也不一样。因此，将荧光层设于转轮装置的内壁，便可实现增加荧光层的个数、种类及调整受辐照的周期等技术改善。

当放射源为双面源的时候，上下面均可参与作用，且荧光层可交替使用，有助于辐照损伤的缓解和修复。当放射源为体源时，可根据电池使用寿命和输出功率两个不同侧重点来选择所需荧光材料制备成荧光层。该发明从结构设计入手，实现荧光层和放射源的尺寸、种类和外形可按需求进行调整，使电池整体布置紧凑、放射源利用率提高、应用范围拓宽以及电池使用寿期延长。

Claims (5)

1.一种荧光核电池，包括密封外壳、放射源、半导体光伏组件、荧光层；所述荧光层包括玻璃基底及设置于玻璃基底上的荧光粉层，其特征在于，所述密封外壳内部设置一旋转支架，旋转支架的旋转轴过密封外壳的中心，所述半导体光伏组件固定于密封外壳的内壁，所述放射源通过旋转支架固定于密封外壳的中心，半导体光伏组件与放射源之间设置荧光层，所述荧光层对称固定于旋转支架上，且荧光层的荧光粉层相对设置，至少有一对荧光层的荧光粉层与放射源的放射面相对。

2.根据权利要求1所述的荧光核电池，其特征在于：所述光伏半导体组件的受光面，即空气和组件的窗口层材料界面之间插入TiO₂/Al₂O₃双层介质膜。

3.根据权利要求1所述的荧光核电池，其特征在于：所述放射源为双面放射源或者块状、棒状体放射源。

4.根据权利要求1所述的荧光核电池，其特征在于：所述荧光层通过如下方法制备，

步骤1、在硅酸钾溶液中加入荧光粉充分搅拌，再加入硝酸钡溶液,继续搅拌，然后将混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；

步骤2、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获得所需的荧光层。

5.根据权利要求4所述的荧光核电池，其特征在于：步骤1中所述的硅酸钾溶液质量浓度为0.5-2％；

所述的硝酸钡溶液质量浓度为0.1-0.5％；

所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与荧光粉的质量与荧光层的厚度根据如下公式设置：m＝ρsh，其中m为荧光粉的质量，ρ为荧光粉的密度，s为玻璃器皿的底面积，h为荧光层的厚度；

所述的自然沉降时间为1-5h；

步骤2中的烘干温度为200-300℃，烘干时间为0.5h。