CN106847361A - 氧化锌pin型核电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于核能利用技术领域的一种氧化锌PIN型核电池。原理为利用放射源出射粒子的电离作用，在半导体材料中产生大量电子空穴对，电子空穴对在PN结内建电场的作用下发生定向移动，连接电极和负载在回路中即可产生电流。在Al₂O₃衬底上生长n型ZnO掺杂层‑绝缘层‑p型ZnO掺杂层的PIN器件结构，制作相应的接触电极，将同位素薄片安装到p型接触电极上，并使用Al₂O₃作为屏蔽材料封装制备完成核电池。由于ZnO材料制备方便，价格低廉，抗辐射性能优异，且由于禁带较宽而具有高的转换效率；Al₂O₃材料可以对纯β同位素的射线进行有效防护，因此本发明可以比较经济且环境友好的方式提高核电池的能量转换效率和能量密度。

Description

氧化锌PIN型核电池

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，是将放射性能量转化为电能的电池装置。

技术背景

放射性同位素电池(核电池)是将放射性同位素的衰变能转换成电能的装置。核电池具有工作稳定、环境适应力强、使用寿命长、能量密度大、体积小等优点，能够在复杂环境下提供稳定可靠的电离支持，因而在微机电系统、深空探索、极端地球环境研究方面具有巨大的应用前景。

目前核电池的主要种类有温差核电池、光伏效应核电池、电容式核电池、辐射伏特效应核电池等。温差核电池利用放射源热效应造成的温差进行发电，功率较大但所需放射源活度很大，转换效率较低；光伏效应核电池用放射源发出放射性粒子打在荧光物质上发光，利用光子与物质的光伏效应产生电流，因为经过二次转换而效率很低；电容式核电池将放射源放出的带电粒子直接收集在极板上，形成电容器，电压可达到很高，但收集电荷较少，因而电流较小。本发明涉及的辐射伏特效应核电池的工作原理是：利用放射源出射粒子的电离作用，在半导体材料中产生大量电子空穴对，电子空穴对在PN结内建电场的作用下发生定向移动，在P型侧收集到大量的空穴，在N型侧收集到大量的电子，连接P型电极和N型电极并接入负载，回路中就会产生电流。

ZnO材料是一种宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，制成的核电池有较大的理论转换效率；来源丰富，价格低廉，有很高的热稳定性及化学稳定性，抗辐射损伤能力强，生长温度相对较低且污染较小，因此本发明将ZnO材料作为核电池的换能材料使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用ZnO材料作为换能材料的PIN型核电池，从而提高核电池电流大小，降低换能器件的辐射损伤程度，提高核电池的转换效率。

本专利使用PIN型结构，其原理与PN结大致相同，即利用放射源出射粒子的电离作用，主要在ZnO绝缘层(掺杂浓度很低，几乎为本征半导体)中产生大量电子空穴对；由于绝缘层与两侧的n型及p型掺杂层存在浓度差，PIN结内部会形成穿过绝缘层的内建电场；电子空穴对在内建电场的作用下，电子和空穴得到分离，空穴向p型掺杂层一侧移动，电子向n型掺杂层一侧移动，在p型掺杂层一侧收集到大量的空穴，在n型掺杂层一侧收集到大量的电子；连接p型电极和n型电极并接入负载，形成闭合回路，回路中就会产生电流。

本发明的技术解决方案是：一种PIN型核电池，包括Al₂O₃衬底、n型掺杂层、绝缘层、p型掺杂层、p型接触电极、n型接触电极和同位素层；其中n型掺杂层为掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～2×10²⁰cm^-3的ZnO层；p型掺杂层为掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3的ZnO层。n型掺杂层设置在Al₂O₃衬底表面上，绝缘层设置在n型掺杂层表面上，p型掺杂层设置在绝缘层表面上，n型及p型接触电极分别设置在n型和p型掺杂层表面上。同位素层的上下表面分别设置在两个相同的PIN结表面，且均为p型掺杂层表面与同位素层表面接触。

所述同位素层为锶-90、镍-63或钷-147。

所述p型掺杂层厚度为100～300nm，绝缘层厚度为20～50μm，n型掺杂层厚度为100～300μm。

本发明可做到放射源双面使用，具有较大的电流、较高的能量转换效率，更高的抗辐射损伤能力，且成本相对较低，使用Al₂O₃作为电池外壳同时具有屏蔽效应，使辐射对环境的影响较小。

附图说明

图1为本发明轴剖面示意图。

1-p型接触电极，2-p型掺杂层，3-绝缘层，4-同位素源，5-n型接触电极，6-n型掺杂层，7-ZnO缓冲层，8-Al₂O₃衬底，9-电池外壳

技术方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

在Al₂O₃衬底(8)上生长ZnO缓冲层(7)，缓冲层(7)上表面生长掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～2×10²⁰cm^-3的n型掺杂层(6)，并在n型掺杂层(6)的上表面一侧沉积薄片状n型接触电极(5)；在n型掺杂层(6)上表面制备ZnO绝缘层(3)，绝缘层(3)上表面稍小于n型掺杂层(6)上表面；在绝缘层(3)上表面沉积厚度为0.3～1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3的p型掺杂层(2)，并在p型掺杂层(2)上表面沉积薄片状p型接触电极(1)，完成PIN结的制作。

在表面积与p型掺杂层(2)相仿的薄片状同位素源(4)上下方各粘结一个上述步骤制备的PIN结(p型接触电极(1)与同位素源(4)表面接触)，使用电池外壳(9)包裹整个电池部分(含衬底(8))封装制成ZnO基PIN核电池。

实际使用时，同位素源(4)出射的β粒子(即电子)，其中绝大多数能量超过ZnO材料平均电离能，主要在PIN结的绝缘层(3)部分发生电离和轫致辐射等作用，使绝缘层(3)的ZnO材料价电子获得足够能量，成为自由电子，并在共价键中留下相同数量的带正电的空穴，产生大量电子空穴对；由于绝缘层(3)与n型掺杂层(6)及p型掺杂层(2)存在掺杂浓度差，绝缘层(3)靠近n型掺杂层(6)及p型掺杂层(2)的界面附近处存在空间电荷区，一个包含正电荷，一个包含负电荷，由此产生穿过绝缘层(3)的内建电场；绝缘层(3)内产生的电子空穴对得到分离，并分别在内建电场的作用下发生定向移动，空穴向p型掺杂层(2)移动，电子向n型掺杂层(6)移动，在p型掺杂层(2)一侧可收集到大量的空穴，在n型掺杂层(6)一侧可收集到大量的电子；连接p型接触电极(1)和n型接触电极(5)以及负载构成闭合回路，电子空穴对收集过程不断进行，回路中就会产生电流。

为方便屏蔽，同位素源(4)应尽量选取发射射线单一的核素(即纯β源)，尤其应避免强γ射线出射，且放射源半衰期不能过短。可选择锶-90、镍-63、钷-147等。

本发明中的n型接触电极及p型接触电极不应过厚，且应与n型及p型掺杂层保持良好的欧姆接触。

为进一步防护电池产生的放射性粒子，电池外壳(9)可使用Al₂O₃材料。

根据实际应用时的输出电压电流需求，可调整放射源剂量大小、串并联方式等以满足不同使用需要。

Claims (7)

1.氧化锌PIN型核电池，其特征在于，电池底部Al₂O₃衬底表面设有n型掺杂层，n型掺杂层表面设有表面积小于n型掺杂层的绝缘层，绝缘层表面设有p型掺杂层，两个接触电极分别设置在n型掺杂层和p型掺杂层表面上，同位素层设置在p型掺杂层表面上除p型接触电极以外的区域，电池外部使用带有屏蔽材料的电池外壳封装。

2.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于所述放射源为β放射源锶-90、镍-63、钷-147等。

3.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于电池外壳使用Al₂O₃作为屏蔽材料。

4.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于所述Al₂O₃衬底表面设有ZnO缓冲层。

5.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于所述p型掺杂层厚度为100～300nm。

6.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于所述绝缘层厚度为20～50μm。

7.根据权利要求1所述氧化锌PIN型核电池，其特征在于所述n型掺杂层厚度为100～300μm。