CN107210078A - 发电机系统 - Google Patents

Abstract

使用放射性物质的能量的动力电池。该装置使用ZnO作为半导体，能量产生金属‑半导体结。ZnO以薄层排列。这允许良好的耐久性和相对高的功率产生。

Description

发电机系统

技术领域

发明领域本发明涉及发电领域，特别涉及从放射性发射的能量转换的电能。

背景技术

功率单元提供用于驱动外部负载的独立的电能源。电力电池的常见例子是电化学电池。虽然电化学电池在以相对低的成本提供电力需求一段时间是有效的，但限制因素是由材料类型和重量限定的可用能量。由于电化学电池的质量有限，储能和能量密度有限，所以出于各种尝试，由于能量密度较高的理论极限，生产替代功率电池，例如由放射性同位素供电的电池。

有几种不同类型的放射性同位素动力电池。一旦这种类型是无线电热发生器(RTG)，其使用放射性材料衰变期间产生的热量来产生电能。这些器件的热能转换效率低于电能。因此，RTG通常与非常高能量的放射性同位素一起使用以产生电力来源，通常需要大量的屏蔽。另外，电力输出低。

另一种类型的放射性同位素供电的电池是使用放射性同位素，发光材料和光伏电池的间接转换装置。由放射性同位素发射的衰变颗粒激发发光材料。由发光材料发射的光被光伏电池吸收发电。这种类型的电池通常由于两步转换而具有低效率并且寿命相对较短，因为发光材料被排放物损坏。

放射性同位素动力电池的另一个实例是使用放射性同位素和半导体材料的直接转换装置。传统的半导体在这个应用中的用途很有限，因为它们遭受放射性同位素衰变产物的侧向辐射损伤。特别地，入射的高能β粒子在半导体中产生分散和捕获所产生的电荷载流子的缺陷。损坏积累，因此随着时间的推移，电池的性能降低。

US 5,260,621公开了一种固态核电池，其包括相对较高的能量辐射源，伴随发热，以及体结晶半导体，例如AlGaAs，其特征在于响应于放射性同位素的缺陷产生。选择材料使得在电池的升高的工作温度下通过退火来修复辐射损伤。该装置的效率低，这需要使用高能辐射源，并且还需要升高的工作温度来起作用。

US 5859484教导了一种固体放射性同位素供电的半导体电池，其包括诸如GalnAsP的晶体半导体材料的衬底。该电池优选使用仅发射低能量粒子的放射性同位素以最小化半导体材料的劣化以使寿命最大化。使用较低能量辐射源的效果是较低的最大功率输出。

在US 6479919中公开了另一种这样的装置，其描述了结合二十面体硼化物化合物的β电池，例如B12P2或B12As2，β辐射源和用于将电能传输到外部负载的装置。制造硼化硼和磷化硼是昂贵的，这增加了生产这些类型的器件的成本。此外，这种装置的生产增加了与处理砷化物和磷化物材料相关的健康，安全和环境风险。

总而言之，当前可用的放射性同位素动力电池的问题包括将发射的能量转换成电能的效率低下，影响装置材料的辐射损伤，对高能核源的屏蔽要求和经受退化的半导体材料。

本发明的目的是提供一种在耐久性和功率输出之间具有改善的平衡的放射性同位素功率单元。

发明内容

根据本发明，提供了一种发电机系统，包括：放射性核素材料；氧化锌薄层；与氧化锌接触并在其间形成金属-半导体结的金属电极，其中从放射性核素材料接收的放射性发射在金属-半导体结处被转换为电能；以及连接到电极的电触点，其在连接到负载时有助于电能的流动。

本发明人发现使用氧化锌具有惊人的结果。虽然氧化锌是本征的n型半导体，但由于缺乏稳定的掺杂的p型ZnO材料，它作为半导体材料是有限的或没有商业用途的。因此，被认为是用于形成p-n结的半导体材料的不良选择，其已经成为构建放射性同位素动力电池的主要方向。

半导体材料的传统认可选择，例如GaAs，GaInAs；或Si，Si-C；或CdTe；已被发现在暴露于高水平辐射时结构性降解。

发明人已经发现，当以适当的厚度使用时，氧化锌可以承受高的辐射水平，并且当用作金属-半导体结的一部分(与pn结相对)时)可以产生有利的发电输出。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是表示施加电压为3V的试验中的氧化锌厚度的变化的发生电流的变化的图。

图2是表示使用不同电极材料的氧化锌厚度的变化和施加电压为3V的试验中的结构的发生电流的变化的图。

图3是表示放射性核素与氧化锌层的距离变化的发生电流与施加电压的变化的曲线图。

图4是电源装置的第一实施例的示意图；

图5是电源装置的替代实施例的示意图；

图6是电源装置的另一替代实施例的示意图。

具体实施方式

主要参考特定说明性实例来描述本发明。应当理解，可以使用所示和所描述的特定实施方式的特征的变化来实现本发明的原理。这些实施例应被认为是说明性的而不是限制本文公开的广泛发明构思。

本发明的一个实施方案是使用具有与半导体材料接触的金属电极的n型半导体材料并将该装置暴露于来自放射性核素材料的辐射的发电系统。在电极和半导体材料之间形成的金属-半导体结处，放射性发射被转换为电能。对于所产生的电能的流动，重要的是在电极之间存在电位差。因此，需要在电极之间的金属与半导体接触面积之间存在显着的差异，以便与另一个电极相比，在一个电极产生更大的电荷产生。具有较大电荷积聚的电极有效地成为负极端子，另一个电极成为正极端子。

为了最大化放射性同位素功率电池中的发电，期望使用相对较高的能级辐射源和高活性密度。然而，大多数半导体材料不能承受这样的高能级并且在结构上随着曝光而降解。

氧化锌是n型半导体，但在现场被解雇为非常差的半导体材料。然而，本发明人已经发现，氧化锌确实具有承受较高能量辐射能力和高活性密度的能力。

在所提出的发电系统中使用氧化锌的初始测试不幸地给出了在现场所接受的观点所预期的令人失望的结果，即ZnO是不良的半导体材料。尽管能够承受高水平的辐射，但所产生的电力输出可忽略不计。

然而，当对所提出的发电系统中使用的氧化锌的厚度进行改变时，当氧化锌以足够薄的层或膜的形式提供时，发现令人惊奇的有利的结果。为了本说明书和权利要求书的目的，“薄”是指小于约15μm，优选小于10μm。

图1是示出在施加电压为3V的试验中氧化锌厚度变化的发生电流的变化的曲线图。在该测试中，最佳电流为1000nm。

在实际实验中，通过具有5cm×5cm表面的rf磁控溅射或电化学气相沉积在衬底上形成氧化锌薄膜。衬底由第一层玻璃组成。在这方面，蓝宝石和石英也被认为适合这个第一层。衬底还包括掺杂的金属氧化物材料层，其形成沉积氧化锌的表面。

掺杂的金属氧化物材料的这种层允许在其上形成较小的正电极，从而将正电极与氧化锌分离，但由于掺杂的金属氧化物的半导体特性而提供电流路径。合适的掺杂金属氧化物材料包括但不限于氟掺杂的氧化锡和掺锡的氧化铟。

测试了许多金属材料作为电极，即金，铜，铝和银的适用性。此外，检查了不同的电极构造，首先，电极覆盖氧化锌层的整个表面，第二个电极配置在氧化锌表面上使用梳状或指状栅格。金属电极材料的一般厚度在100-1000nm，优选150nm的范围内。

使用溅射技术沉积金和铜，而使用热蒸发技术沉积铝和银。

将不同的样品暴露于Sr-90。结果发现，金，铝和银在金属-半导体连接处产生线性和对称的电流-电压曲线，表明这些金属和氧化锌之间所需的欧姆接触程度。

铜产生指示肖特基势垒的非线性和不对称结果，这表明它不适合于目前的目的。

关于不同的配置，注意到结果可以忽略不计。这表明使用较少金属的梳状网格配置是可行的选择。应当理解，在本发明的范围内考虑了其它几何形状和构造。

类似地，应当理解，本发明可以在金属-半导体结中用不同的金属(包括合金)来实现。

在150nm和1500nm之间的不同厚度的氧化锌层进行测试。

令人惊奇的结果发现，随着厚度从150nm增加，所产生的电输出也增加到最佳厚度，之后增加厚度导致产生的电输出减少。超过约1500nm，为了实际目的，输出变得太低。因此，测试表明氧化锌在150nm和1500nm之间的理想厚度范围。最佳厚度取决于材料的选择。

最佳厚度根据材料的选择而变化。图2示出了在恒定电压和辐射源下具有不同材料和材料厚度的电流随电流的变化。该材料包括指状电极配置中的银；银全电极；铝在指状电极配置中；铝全覆盖；和黄金全面覆盖。

在某些测试中，最佳厚度为1000nm，而在其他测试中，最佳厚度为1250nm，参见图1和图2.然而，厚度的总有用范围保持相当恒定。预期最佳厚度也可以在该范围内变化，这取决于放射性核素材料的选择。

可用于本发明实施方案中的替代的β发射材料包括Pm-147，Ni-63和氚，或任何其它合适的β发射材料。本发明原则上能够使用其他种类的放射性材料，例如x射线源，γ源或任何其它合适的材料。放射性核素可以是任何合适的化学形式，并且材料原则上可以是不同的放射性核素或其它材料的混合物。

还进行了如图3所示改变Sr-90材料与氧化锌层的距离和入射角度在2mm至350mm之间变化的测试。图3是示出了产生的电流与施加的电流的变化的曲线图电压，放射性核素与氧化锌层的距离不同。

如所预期的，最佳输出发生在最小距离处，随着距离增加，输出减小。然而，在整个测试范围内仍然有明显的输出，特别是高达约300mm，角度<45°。鉴于发电机的厚度尺寸，这是一个很大的空间，并且建议可以使用相同的放射性核素材料以多层结构布置多个发生器装置，从而增加来自单个放射性核素源的电输出能力。

现在将描述采用发电机系统的电源装置的示例。

如图4所示，示出了基本的“单层”装置10.如图所示，装置10包括壳体12，在其中心处具有一层密封的放射性核素14，例如Sr-90，Pm-147，Ni-63或H-3。壳体12可以由各种合适的材料(例如铝，钢等)形成并且包围空气28的密封。密封件16可以是铝，塑料，聚酯薄膜，其它合适的金属合金或类似的低Z材料(Z为原子量)。在放射性核素14的两侧，具有锡掺杂氧化铟20层和形成在其上的氧化锌22的薄层的基板18(例如，玻璃基板)。锡掺杂氧化铟的替代物可以是铟锡氟化物。主负极24形成在氧化锌22的另一个表面上，较小的正极26形成在锡掺杂氧化铟20的表面上。导电引线30连接到两个电极24,26，并导致用于连接到负载的壳体12的外部。

在图5中，示出了“双层”装置110.中心放射性核素114的每一侧具有两个氧化锌层122的布置，每个具有对应的电极124,126，掺杂的金属氧化物层120和分离的通过绝缘基板132。

在图6中，示出了“三层”装置210，其中衬底和ZnO层以三明治布置布置。类似于其它示例，中心密封放射性核素214具有三层衬底232的任一侧，ZnO层222，掺杂金属氧化物层220和电极224,226的布置。

应当理解，可以不断增加层的数量，并且因此增加产生的电输出。可以使用多少层的限制是由最远层离放射性核素材料有多远。

应当理解，可以使用具有多于一层放射性核素的结构，其中加入多个夹心结构以提供期望的功率水平。还应当理解，尽管所描述的结构大致为正方形，但是结构可以是任何期望的形状，并且可以在合适的实施方式中弯曲，假设可以保持适当的间隔。

Claims (17)

1.一种发电机系统，其特征在于，包括：

放射性核素材料；

n型半导体材料的薄层；

金属电极，其中至少一个与所述半导体材料直接接触并在其间形成金属-半导体结；其中从所述放射性核素材料接收的放射性发射在所述金属-半导体结转换成电能；和

连接到所述电极的电触点有助于当连接到负载时所述电能的流动。

2.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述n型半导体材料是氧化锌。

3.一种发电机系统，其特征在于，包括：

放射性核素材料；

氧化锌薄层；

金属电极，其中至少一个与所述氧化锌直接接触并在其间形成金属-半导体结；其中从所述放射性核素材料接收的放射性发射在所述金属-半导体结转换成电能；和

连接到所述电极的电触点有助于当连接到负载时所述电能的流动。

4.根据权利要求3所述的发电机系统，其特征在于，所述氧化锌层形成在基板材料上。

5.根据权利要求4所述的发电机系统，其特征在于，所述衬底材料选自玻璃，蓝宝石或石英。

6.根据权利要求4或5所述的发电机系统，其特征在于，在所述氧化锌层和所述基板之间设置掺杂的金属氧化物材料层。

7.根据权利要求6所述的发电机系统，其特征在于，所述金属电极之一被设置为与所述掺杂的金属氧化物材料直接接触。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述氧化锌薄层通过RF磁控溅射工艺形成。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述金属电极由金，银或铝形成。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述金属电极通过溅射工艺或电化学气相沉积沉积在所述氧化锌上。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述放射性核素材料被封装在密封材料中。

12.根据权利要求11所述的发电机系统，其特征在于，所述密封材料选自铝，金属合金，塑料或聚酯薄膜。

13.根据权利要求2至12中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述放射性核素材料选自Sr-90，Pm-147，Ni-63或H-3。

14.根据权利要求2至13中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述氧化锌薄层的厚度为150-1500nm

15.根据权利要求14所述的发电机系统，其特征在于，所述氧化锌层的厚度等于或小于1250nm

16.一种电力供应装置，其特征在于，包括封闭根据前述权利要求中任一项所述的发电机系统的壳体。

17.根据权利要求16所述的器件，其特征在于，存在多层氧化锌，每层具有相应的金属电极和电触点，其中相邻层被绝缘衬底材料分开。