CN106297936A - 同位素β射线辐射荧光发光光伏电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，原理是同位素衰变时放出β射线，荧光物质受β射线辐射而发光，薄膜光伏电池接受荧光后产生电流；在电池基板之上为带衬底的光伏电池层，光伏电池层的表面是荧光物质，β射线源采用薄片结构，β射线源使用Ni-63或其他放射性同位素。荧光物质通过沉积的方式在光伏电池层表面形成荧光物质层，荧光物质层实现与光伏电池紧密结合有利于提高电池的光效率，同时解决荧光物质的散热，荧光物质层选用受β射线照射致发光的荧光物质；光伏电池为非晶/微晶硅薄膜光伏电池或多元化合物薄膜光伏电池，选用薄膜光伏电池可较好的实现同位素电池的功能并降低装置的成本。

Description

同位素β射线辐射荧光发光光伏电池

技术领域

本发明公开了一种同位素电池，特别是利用放射性同位素β射线辐射致荧光发光与薄膜光伏电池相结合而成的一种同位素光伏电池。

背景技术

放射性同位素电池(RIB)是将放射性同位素(RI)的衰变能通过一定的能量转换方式转换为电能的一种供能装置。由于RI的衰变过程不受环境影响，其能量释放过程稳定可靠且具有高能量密度，因此与其他供能装置相比，RIB具有独特的优势：1)使用寿命长，RIB的设计寿命取决于所用RI的半衰期，可达数年至数十年；2)不受外界环境影响，无需外部能量输入，在其工作期间可稳定供电。

将β射线的能量通过光伏作用转化为电能有直接转换和间接转化两种方式：

1.直接转换方式：用β射线直接照射半导体P-N结，能够产生电子-空穴对而形成电流；一些装置使用Ni-63作为辐射源，如在MEMS微装置中应用的微型同位素电池，更直接将Ni-63放射性同位素涂覆在半导体器件表面，让β射线直接照射到倒金字塔结构的硅P-N结产生电流。Ni-63发射的β射线粒子动能最大为66.7keV，平均为17.1keV，硅P-N结能耐受的粒子动能在220-250keV，Ni-63发射的β射线不易破坏硅P-N结的结构。

2.间接转化转换方式：一种间接转化转换方式为利用β射线照射荧光材料致其发出荧光，荧光照射光伏电池输出电流。另一种用较强的β射线照射到转换器，转换器的温度升高，热光伏方式就是利用转换器产生的热使得转化器表面的涂层发出红外光，红外光照射到红外光光伏电池而产生电流，这种β射线源多为动能较大的放射性同位素，如Sr-90。

同位素电池在安全有保障的前提下的应用已受到重视。

太阳能光伏电池一类是单晶/多晶硅光伏电池，这一类光伏电池是通过切割硅棒得到的硅片加工制造，生产过程环境污染大，且光电转换效率不高。

另一类太阳能光伏电池是近年有了很大发展的薄膜光伏电池，薄膜光伏电池种类较多，其转换效率不断得到提高，成本相对较低，生产工艺也已成熟，使得光伏电池成本大大下降，进一步拓宽了应用的领域。

薄膜光伏电池分为非晶/微晶硅薄膜光伏电池和多元化合物薄膜光伏电池，非晶硅(a-Si)/微晶硅薄膜光伏电池薄膜厚度约600nm，单层电转换效率不高，一般为6％～8％，原材料为硅烷可获取性好，将其改进为多层如三叠非晶硅薄膜太阳电池则转换效率有了很大提高，约为10％～12％。

多元化合物薄膜光伏电池原料为无机盐，主要有：碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池，制造成本低，光电转换效率约为8.5％～10.5％。铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏电池，光电转换效率较高，约为10％～12％。砷化镓III-V族化合物光电转换效率最高，可达30％～40％。

与太阳能电池中产生电压的光子密度相比，β射线的光子密度低2～4个位级，为了更有效地得到能量的转换，采用β射线辐射致荧光发光作为转换层具有应用的价值。荧光粉发光已得到广泛的使用，如各种日光灯管，三基色节能灯，阴极射线管，CRT电视显像屏。发光物质对高能量β射线的吸收一般经过三个过程：带电粒子的减速、高能粒子的吸收以及电子-正电子对的形成。

因为β粒子主要是电子，放出e+正电子的称为“正β衰变”，放出e-电子的称为“负β衰变”，利用β射线照射可以使荧光粉发光，其发光原理与阴极射线管电子束冲击荧光屏发光有相似之处。当β粒子衰变时发出的e-、e+电子冲击到发光物质后，发光物质会发生晶格原子的离化，产生具有很多动能的离化电子、离化电子又可继续引起其他原子的激发或离化，产生次级电子，实现发光物质对高能带电粒子的能量吸收，当这些激发或离化状态重新回到平衡态时，产生发光。

发光光谱是荧光和磷光的总称，荧光是指电子从单线态第一激发态返回到基态时释放的光，磷光是指电子从三线态第一激发态返回到基态释放的光。因为本发明对荧光和磷光没有特别要求，不需要区分光谱中两者的成分，所以直接测量发光光谱即可。

供参考的阴极射线发光(Cathodoluminescence)，即发光物质在电子束激发下所产生的发光，简称为CL，最常见的应用是阴极射线管和CRT电视显像屏，这种应用的电子束具有的能量通常在1-10keV。基本原理是当高能量电子束进入发光体后撞击晶格，产生数量增多的电子，这就是次级电子(secondary electron)，次级电子又会产生电子，次级电子的能量不断减小，但数量倍增。最后，大量的能量只有几个eV的电子去激发发光材料，这些电子通过谐振或准谐振的形式将能量传递给发光中心离子，最终使发光材料发光。另外，次级电子的能量分布很宽，能够激发各种能态。

一些β射线源已经得到成熟的应用，如Ni-63和Sr-90在医学方面得到了应用，使用Ni-63制造的微型同位素电池已用于心脏起搏器。

由于核电站的发展使得乏燃料大量产生，既带来核废料引起的安全问题又是很大的浪费，对其如何利用受到了各国政府和社会的高度重视。同位素电池在使用较安全的Ni-63之外，如能利用在乏燃料中提取的同位素，就找到了一条变废为宝的途径，如Sr-90就可以从核废料处理的废液中提取。设计好同位素电池，解决好相关工艺，从核废料中提取的同位素的安全利用将可以得到实现。

通过综合分析，利用放射性同位素衰变时发射的β射线冲击荧光物质，将荧光物质发出的光照射到光伏电池而得到电流是可行的方案；如设计合理工艺得当，核电站的乏燃料也能增加一个利用的途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述原理，提供一种放射性同位素与薄膜光伏电池相结合的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池的设计方案。

薄膜光伏电池得到普及应用，生产的工艺已经成熟，选择非晶/微晶硅薄膜光伏电池或多元化合物薄膜光伏电池，可以满足本发明所需使用的薄膜光伏电池的要求。

一般情况薄膜光伏电池的表面已有一层保护膜，可以将荧光粉直接沉积在保护膜之上生成荧光发光层；如果薄膜光伏电池的表面保护膜不能满足生成荧光发光层的要求，则通过提高薄膜光伏电池的表面保护膜的技术要求来实现。

荧光发光层可通过荧光粉的化学沉积方法实现，在需进一步提高荧光发光层的性能时，可以采用磁控溅射的方法进行加工；这里提到的性能提高是指减少β射线的穿透以免太多和太强的β射线直接照射薄膜光伏电池；另一方面荧光发光层与薄膜光伏电池的附着性能好，保证了较好的热传导可以提高单位面积的功率，还能使得同位素电池整体的温度特性有较好的保障，提高装置的的技术指标。

放射性同位素β射线源为薄片结构，采用在镍片表面电镀Ni-63的方式，这种工艺容易得到较大面积的β射线源，加工工艺性较好，镍片还可以实现双面电镀；也可以使用高通量工程试验反应堆辐照镍片而成的泡沫镍片作为放射性同位素β射线源。

放射性同位素β射线源与薄膜光伏电池以贴近的方式组合，这样电池的厚度减小，容易实现夹心式设计和多电池叠加的设计。

附图说明

图1为本发明的基本原理图；

图2为本发明实施例2的原理图；

其中1、8是电池的基板，2、7是带衬底的薄膜光伏电池层，3、6是荧光发光层；4是放射性同位素β射线源，5是电池的输出引线。

具体实施方式

实施例1：

见图1，本实施例中1是薄膜光伏电池的基板，基板1采用不锈钢板，厚度为0.3-0.5mm；

在基板1上是带衬底的薄膜光伏电池层2，薄膜光伏电池层2选用微晶硅薄膜光伏电池，微晶硅薄膜光伏电池为三叠P-N结构以提高转换效率，薄膜光伏电池层2的表面生成有保护膜；薄膜光伏电池的衬底为不锈钢，厚度为0.1mm。

在薄膜光伏电池层2的保护膜上用磁控溅射的方法生成荧光发光层3，荧光粉为β射线辐射致发光的稀土荧光粉；

放射性同位素β射线源4采用镍片单面电镀Ni-63的方式，镍片的厚度为0.2mm；

5是薄膜光伏电池的输出引线；

电池的外面还需设计必要的保护外壳，这样本发明的构思得以实现。

实施例2：

见图2，本实施例中放射性同位素β射线源4采用镍片双面电镀Ni-63的方式，镍片的厚度为0.3mm；

基板1和基板8，均采用不锈钢薄板，厚度为0.3-0.5mm；

基板1上是带衬底的光伏电池层2，基板8上是带衬底的光伏电池层7，光伏电池层2和光伏电池层7均为铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏电池；薄膜光伏电池的衬底为不锈钢，厚度为0.1mm；

在光伏电池层2保护膜的上面用化学沉积的方法沉积生成荧光发光层3，在光伏电池层7保护膜的上面用化学沉积的方法沉积生成荧光发光层6，荧光层选用β射线辐射致发光的稀土三基色荧光粉；

5是薄膜光伏电池的输出引线；

电池的外面再设计必要的保护壳，这样本发明的夹心式结构得以实现。

Claims (8)

1.一种以放射性同位素β射线辐射荧光物质致发光并与薄膜光伏电池紧密结合而成的同位素电池，其薄膜光伏电池层(2)的光源来自受β射线辐射致发光的荧光物质层(3)；通过沉积的工艺使荧光粉附着在光伏电池层(2)的表面形成荧光物质层(3)，荧光粉的沉积工艺在提高光的利用效率的同时解决了荧光物质层(3)发热的散热传导问题；基板(1)起到光伏电池层(2)的固定并实现向外的热传导；β射线源(4)采用薄片结构并与光伏电池层(2)保持紧密贴合，同位素电池整体厚度可因此减薄。

2.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，其光伏电池(2)为常用的非晶/微晶硅薄膜光伏电池、多元化合物薄膜光伏电池。

3.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，其荧光物质层(3)的物质采用的是受β射线照射致发光的荧光物质，荧光物质层(3)发出的光的频谱与薄膜光伏电池的光敏感频谱相吻合。

4.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，荧光物质层(3)通过沉积的工艺附着在薄膜光伏电池层(2)的表面，附着的工艺为化学沉积方法或物理沉积方法。

5.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，改变荧光物质层(3)的配方，可以降低高能β射线的强度，这样即使有一部分β射线穿过了荧光物质层(3)，其动能也会降低，使薄膜光伏电池层(2)受到β射线的冲击减弱而得到保护。

6.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，其放射性同位素β射线源(4)为薄片结构，采用镍片电镀Ni-63的方式，也可以用高通量工程试验反应堆辐照镍片而成的泡沫镍片，β射线源(4)与荧光物质层(3)保持紧密贴合的方式。

7.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，可设置为夹心式结构，其放射性同位素β射线源(4)采用镍片双面电镀Ni-63的方式，也可选用双面辐射β射线的泡沫镍片，同位素β射线源(4)镍片的双面分别贴紧荧光物质层(3)和荧光物质层(6)，提高了空间的利用。

8.按照权利要求1所述的放射性同位素β射线辐射致荧光发光光伏电池，其β射线源同位素为Ni-63，也可以是Sr-90或其它通过乏燃料处理得到的可以利用的辐射β射线的同位素材料，通过改变荧光物质层(3)的配方和厚度，选择适当的放射性活度可使同位素电池工作在最佳状态。