CN107103940B - 一种伽马光伏同位素电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伽马光伏同位素电池，其包括依次贴合的以下三层：A、低能伽马同位素源层，其能发射出能量小于20KeV的低能伽马射线；B、闪烁体层，其选自：B1、柔性有机闪烁体层；或B2、刚性闪烁体层；C、光伏半导体层；其中各层的厚度均小于0.2mm。本发明的伽马光伏同位素电池可被制成长条状并被卷成一卷来使用。

Description

一种伽马光伏同位素电池
技术领域
本发明属于同位素电池或原子电池领域，具体涉及一种伽马光伏同位素电 池。
背景技术
随着现代电子技术特别是移动设备和微机电系统(MEMS)的迅猛发展，要 求其电源具有低功率、长寿命、高可靠性和体积微小的特点，才能满足在诸如微 型管道机器人、植入式微系统、无线传感器、人工心脏起搏器、便携式移动电子 产品领域、太空或深海无人探测器等高端领域的供电需求。
一种满足上述需求的微型电池是辐射伏特同位素电池，其是采用能天然发出 β射线的β同位素源与具有PN结或PIN结的半导体材料相复合，其中β射线轰 击半导体材料时产生电子-空穴对，电子和空穴在PN结内建电场的作用下分别 汇集到半导体材料的N区和P区，分别形成电池的负极和正极，可对外供电。 这类辐射伏特同位素电池为追求高输出电压或电流，通常要求β射线具有高能 量，例如通常采用的辐射源如下：63Ni，其发出的β射线的平均能量为17.42KeV； 147Pm，其发出的β射线的平均能量为61.93KeV；137Ce，其发出的β射线的平均 能量为187.1KeV；90Sr，其发出的β射线的平均能量为195.8KeV；高能β射线 往往会损害半导体材料的晶格，造成半导体材料失效，导致这类辐射伏特同位素 电池的寿命难以持久。
为减少对半导体晶格的损害，已经有人们建议将β辐射源改为氚，即3H， 其发出的β射线的能量为5.69KeV，但氚以氚气或重水等流体形式使用时，给电 池的密封带来困难，稍有不慎会导致放射源的泄露，导致安全问题。也有人提出 用金属氚化物的方式来使用氚，但这样的话，放射源中的氚含量过低，使得电池 的输出电压和电流都非常微弱，难以实用。
另外，由于单个辐射伏特同位素电池的输出电压或电流相对微弱，必须将多 个单个辐射伏特同位素电池串联或并联使用才能给外部负载有效供电，然而其所 使用的半导体材料是刚性的，因此只能采用一层一层堆叠的方式来实现串联或并 联，这使得电池的组装方式受到限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种伽马光伏同位素电池，其包括依次贴 合的以下三层：
A、低能伽马同位素源层，其能发射出能量小于20KeV的低能伽马射线；
B、闪烁体层，其选自：
B1、柔性有机闪烁体层；或
B2、刚性闪烁体层；
C、光伏半导体层；
其中各层的厚度均小于0.2mm。
其中所述闪烁体层是任何能在伽马射线照射下发出荧光(波长220-480nm) 的物质所构成的曾状物。
其中所述光伏半导体层是指任何能将荧光转化为电能的半导体层。
优选地，所述柔性有机闪烁体层是蒽、茋或萘在柔性塑料中的固溶体；所述 刚性闪烁体层包含选自NaI:Tl、BaF2、Bi4Ce3O12、Lu2SiO5:Ce、Lu1.8Y0.2SiO5:Ce 或LaBr3:Ce的闪烁晶体；所述光伏半导体层选自非晶硅半导体、微晶硅半导体、 CdS、CdTe、CuInSe2、色素敏化染料、铜铟硒化物、砷化镓、碲化镉或锑化镉 类半导体材料。这些闪烁体和光伏半导体层都是现有技术中已知的。
优选地，各层厚度均小于0.1mm。
上述各层可以都是刚性层，也可以都是柔性层。优选都是柔性层。
优选地，其中所述低能伽马同位素源是55Fe。
优选地，所述低能伽马同位素源层是通过在柔性基质上涂覆有55Fe而制成 的柔性膜；且所述光伏半导体层也呈柔性膜状。其中将55Fe涂覆到柔性基质上 去的方法可以采用电镀法、溅射沉积法、化学气相沉积法或粉末涂覆法等。
上述闪烁体层的作用是将伽马射线转化成荧光，荧光波长一般在220-480nm 范围内，优选在300-400nm范围内。闪烁体的上述作用是现有技术中已知的， 不再赘述。闪烁体可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。
无机闪烁体一般是指含有少量其它种晶体(激活剂)的无机盐晶体。虽然用 纯无机盐晶体也可作为闪烁体，但加了激活剂后能明显提高发光效率。本领域为 表达方便起见，通常将这种被掺杂的激活剂与无机盐晶体母体并列并用分号隔 开，例如NaI：Tl表示掺杂了铊的碘化钠晶体，Lu2SiO5:Ce表示掺杂了铈的硅酸 镥晶体，Lu1.8Y0.2SiO5:Ce表示掺杂了铈的硅酸镥钇晶体，等等。
有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物，优选蒽(C14H10)。有 机闪烁体的发光机制主要由于分子本身从激发态回到基态的跃迁。有机闪烁体又 可分为有机晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体。有机晶体主要有蒽、茋、萘 等，具有比较高的荧光效率，但体积不易做得很大。液体闪烁体和塑料闪烁体可 看作是一个类型，都是由溶剂、溶质和波长转换剂三部分组成，所不同的只是塑 料闪烁体的溶剂在常温下为固态。液体和塑料闪烁体还有易于制成各种不同形状 和大小的优点。塑料闪烁体还可以制成光导纤维或大面积薄膜。
必须指出，即便上述低能伽马同位素源层和光伏半导体层都是柔性膜时，所 述闪烁体层也可以选自刚性闪烁体层，这时其将呈由多个闪烁晶体片条平行排列 而构成的简牍状。这样做的好处是即便使用刚性闪烁体层时也能很容易地将该闪 烁体层卷成一卷使用，如同造纸术发明之前中国人的竹简书籍一样，多片刚性竹 简平行排列制成简牍后，同样能很方便地卷曲成一卷。这样的设计使得本发明可 以方便地使用商业化的刚性闪烁晶体片条。
优选地，所述伽马同位素光伏电池呈长条形式，并将所述长条卷成一卷。这 样便于制成大面积的伽马光伏同位素电池后将其卷成一卷使用，以将其紧凑地容 纳在非常小的圆柱形容器内。
本发明的有益效果：
1、本发明与传统的辐射伏特同位素电池的能量转换途径完全不同。传统辐 射伏特同位素电池是用β射线直接轰击半导体材料而产生电能，即利用辐射伏特 效应产生电能，其能量转换途径为辐射能β射线→电能。本发明则是用由同位素 (如55Fe-55，其发射5.9keV低能伽马射线)自然衰变所释放出的低能伽马光 子通过闪烁体，将伽马光子转变成荧光，实现光子数量几千倍的放大，然后再由 光伏半导体薄膜通过光伏效应将荧光转变成电能。其能量转变途径为：辐射能伽 马射线→荧光(实现光子数目几千倍的放大)→电能。
2、本发明首次采用能发射出能量小于20KeV的低能伽马射线的低能伽马同 位素源层(例如55Fe)，其不发射出β射线，而是发射出平均能量为5.9keV的 低能伽马射线。本质上讲，β射线就是电子流，电子因具有质量，故高速电子具 有动能，半导体晶格在长时间受到高速电子流轰击时会因吸收该动能而导致晶格 受损，这是辐射伏特同位素电池中半导体受损的根本原因。而本发明中，伽马射 线及其照射闪烁体后所发出的荧光，本质上均为光子，其不具有质量，故对半导 体晶格没有轰击碰撞作用，从根本上避免了对半导体晶格的损害。
3、由于使用低能伽马同位素源，使得所需要的闪烁体层也可以足够的薄， 以便有效扩展其面积并设计出合理的复合结构得以大面积的使用；同时辐射防护 的难度大大降低，使得本发明的伽马光伏同位素电池极为容易地做到没有任何辐 射泄漏(电池本身做到绝对安全)。
4、电池空间结构特征上，其厚度很小，通常三层总厚度不超过0.6mm，优 选不超过0.3mm，但其面积可以做得很大，并且本发明通过将各层设计成柔性层， 使得本发明能够以卷曲的方式进行有效扩展(例如电池本身呈长条状，例如长宽 厚尺寸为1000mm*10mm*0.3mm，在使用时卷成一卷，既有效放大了使用面积， 又使得成品电池结构紧凑，总体积很小)，电池有效面积扩展数百倍，电池容量 得以增加数百倍，达到数十微瓦级。相对于传统辐射伏特同位素电池的刚性片层 堆叠结构，本发明的这种柔性卷曲结构提供了更灵活的组装方式。
附图说明
图1是本发明的伽马光伏同位素电池的各层结构图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的内容作进一步的说明，但并不因此而限制本发 明。
实施例1
低能伽马同位素源层是其上涂覆有55Fe的聚乙烯薄膜，闪烁体层是10wt％ 蒽分散在聚苯乙烯中而制成的薄膜，光伏半导体层为锑化镉半导体薄膜。这三者 都是柔性层，厚度均为0.1mm。将三层依次贴合在一起，并制成长宽厚为 1000mm*10mm*0.3mm的长条状，其然后卷成一卷。伽马光伏同位素电池的电 流密度根据所使用的55Fe的量的不同可以为100-300nA/cm2，卷成一卷后，整体 对外输出电流可达10-30μA，能够满足一般的MEMS器件或心脏起搏器的电流 要求。
实施例2
低能伽马同位素源层是其上涂覆有55Fe的聚乙烯薄膜，闪烁体层是多个Lu1.8Y0.2SiO5:Ce晶体片条平行排列成的简牍状结构，光伏半导体层为CuInSe2半 导体薄膜。这三者都是柔性层，厚度均为0.1mm。将三层依次贴合在一起，并制 成长宽厚为1000mm*10mm*0.3mm的长条状，其然后卷成一卷。伽马光伏同位 素电池的电流密度根据所使用的55Fe的量的不同可以为100-300nA/cm2，卷成一 卷后，整体对外输出电流可达10-30μA，能够满足一般的MEMS器件或心脏起 搏器的电流要求。
以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的 技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本发明的原理，而不是以任何方式限制本发明的范围，在不脱离本发 明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保 护的范围内。

Claims (2)

1.一种伽马光伏同位素电池，其特征在于，其包括依次贴合的以下三层：
A、低能伽马同位素源层，其能发射出能量小于20KeV的低能伽马射线；
B、闪烁体层，其选自：
B1、柔性有机闪烁体层；或
B2、刚性闪烁体层；
C、光伏半导体层；
其中各层的厚度均小于0.2mm；
其中所述低能伽马同位素源层是通过在柔性基质上涂覆有55Fe而制成的柔性膜；且所述光伏半导体层也呈柔性膜状；
其中当所述闪烁体层选自刚性闪烁体层时，其呈由多个闪烁晶体片条平行排列而构成的简牍状；
所述伽马同位素光伏电池呈长条形式，并将所述长条卷成一卷。
2.根据权利要求1所述的伽马光伏同位素电池，其特征在于，所述柔性有机闪烁体层是蒽、茋或萘在柔性塑料中的固溶体；所述刚性闪烁体层包含选自NaI:Tl、BaF2、Bi4Ce3O12、Lu2SiO5:Ce、Lu1.8Y0.2SiO5:Ce或LaBr3:Ce的闪烁晶体；所述光伏半导体层选自非晶硅半导体、微晶硅半导体、CdS、CdTe、CuInSe2、色素敏化染料、铜铟硒化物、砷化镓、碲化镉或锑化镉类半导体材料。
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