CN112086217B - 一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 - Google Patents
一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112086217B CN112086217B CN202010854285.0A CN202010854285A CN112086217B CN 112086217 B CN112086217 B CN 112086217B CN 202010854285 A CN202010854285 A CN 202010854285A CN 112086217 B CN112086217 B CN 112086217B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sic
- source
- layer
- isotope
- pin structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
- G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
- G21H1/04—Cells using secondary emission induced by alpha radiation, beta radiation, or gamma radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明提供了一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池，包括呈三维结构的SiC换能元件(1)、电极单元(2)和至少一个3H同位素源(3)，所述SiC换能元件(1)采用PIN型结构，所述3H同位素源(3)设置在所述SiC换能元件(1)内，所述电极单元(2)与所述SiC换能元件(1)连接。本发明结构简单，利用长半衰期、高能量密度、不易受环境影响、价格便宜的3H同位素作为能量来源，换能单元材料SiC为第三代半导体材料，能量转换效率高，抗辐射，抗高温，形成可以长时间、适应能力强和稳定工作的电源装置。
Description
技术领域
本发明属于同位素电池领域，涉及一种辐射伏特式同位素电池，尤其涉及一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池。
背景技术
同位素电池的研究在20世纪50年代取得了突破性进展，广泛应用于航天、军事、心脏起搏器等领域。自1913年英国物理学家Moseley制作成功第一款同位素电池至今，已发展出多种不同类型的同位素电池。辐射伏特式是最常见的同位素电池类型之一。
辐射伏特式同位素电池的基本原理与太阳能电池近似，主要区别在于后者的能量来源是太阳光，而前者的能量来源是放射性同位素源衰变放射出的α或β射线。辐射伏特式同位素电池因其结构简单、易微型化、成本低、输出功率稳定等优良性能引起了国内外关注，可广泛用作电子信息安全系统、微器械系统、医疗植入设备等领域的长效电源。
在已公开的辐射伏特式同位素电池专利中，大部分涉及的均为传统的平面结构设计，而且换能元件材料通常是常见的硅半导体材料。这类辐射伏特式同位素电池的输出电压一般不大于1V，且能量转换效率偏低，实验测试值一般小于1％，功率密度偏低，实验样机值一般在10nW/cm2～100nW/cm2量级水平。
当前已有的辐射伏特式同位素电池其能量转换效率和功率密度普遍较低、部分设计工艺实现挑战大或局限于当时的领域研究进展，迫切需要设计一种能量转换效率和功率密度较高、易于加工、经济性强的辐射伏特式同位素电池。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在很大程度上解决辐射伏特同位素电池能量转换效率和功率密度低、工艺实现难度大和造价昂贵的一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池，包括呈三维结构的SiC换能元件、电极单元和至少一个3H同位素源，所述SiC换能元件采用PIN型结构，所述3H同位素源设置在所述SiC换能元件内，所述电极单元与所述SiC换能元件连接。
进一步的，所述SiC换能元件包括相互叠加在一起的第一层和第二层以及包裹在所述3H同位素源外的包覆层，所述包覆层伸入所述第二层内，其中，所述第一层采用N型SiC材料，所述第二层采用I型SiC材料，所述包覆层采用P型SiC材料，或者，所述第一层采用P型SiC材料，所述第二层采用I型SiC材料，所述包覆层采用N型SiC材料。
优选的，所述N型SiC材料为SiC并掺杂有密度范围为1017cm-3～10 20cm-3的氮或磷或砷或其他能对SiC形成N型掺杂的元素；所述I型SiC材料为SiC并掺杂有密度范围为1014cm-3～1015cm-3的氮或磷或砷或其他能对SiC形成I型掺杂的元素；所述P型SiC材料为SiC并掺杂有密度范围为1017cm-3～1020cm-3的硼或铝或镓或其他能对SiC形成P型掺杂的元素。
进一步的，所述电极单元包括收集极和发射极，所述收集极和所述发射极分别与所述第一层和所述包覆层连接。
优选的，当所述第一层采用N型SiC材料、所述包覆层采用P型SiC材料时，所述收集极与所述第一层连接、所述发射极与所述包覆层连接，所述包覆层位于所述发射极和所述第二层之间；当所述第一层采用P型SiC材料、所述包覆层采用N型SiC材料时，所述收集极与所述包覆层连接、所述发射极与所述第一层连接，所述包覆层位于所述收集极和所述第二层之间。
进一步的，所述包覆层在所述第二层内形成一个以上的盲孔，所述3H同位素源铺设在所述盲孔的孔壁上。
进一步的，所述盲孔的孔径为0.01μm～100μm，所述盲孔的孔深为0.01μm～1000μm；
优选的，所述盲孔的形状为直圆柱形、圆锥形、直方柱形、菱形或倒三角形等形状。
进一步的，所述3H同位素源的铺设厚度为0.01μm～50μm。
进一步的，所述3H同位素源为3H或者为含有3H的放射性同位素源混合物。
进一步的，所述3H同位素源的化学形态为单质形式、化合物形式、混合物形式中的任意一种。
进一步的，所述第一层的厚度为10μm～500μm，所述第二层(12)的厚度为100nm～100μm，所述包覆层的厚度为50nm～50μm。
进一步的，所述发射极的材料为Ti、Al、Au、Ni中的任意一种或者两种以上的按任意比例混合的混合物，或者为Ti、Al、Au或Ni的复合组合层，或者其他可与半导体形成欧姆接触的导电材料，或者这些材料的复合组合层，所述发射极的厚度范围为50nm～50μm；
所述收集极的材料为Ni、Au、Ag、Al中的任意一种或者两种以上的按任意比例混合的混合物，或者为Ni、Au、Ag或Al的复合组合层，或者其他可与半导体形成欧姆接触的导电材料，或者这些材料的复合组合层，所述收集极的厚度范围为50nm～5μm。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过三维加载的3H同位素源衰变放射出的β粒子，射入周围的SiC材料换能元件单元中，激发或电离产生电子-空穴对，电子和空穴在换能元件内建电场的作用下实现分离，分析通过发射极电极单元和收集极电极单元进行输出，在发射极和收集极之间加负载后，形成回路进而产生电流；
本发明能最大限度增加同位素源和换能元件接触面积，增加同位素源加载量，同时减小同位素源的自吸收效应，且3H同位素源衰变放射出的β粒子，能最大限度将能量沉积在半导体结的结区附近，使其激发产生的电子-空穴能够得到有效收集，从而提高电池的能量转换效率和功率密度，具体实践中，本发明的能量转换效率能够达到21％以上，功率密度大于10μW/cm3，持续使用时间5年以上；
本发明的3H同位素源三维加载在换能元件单元内部，周围被SiC半导体材料或电极材料所环绕，由于3H同位素源发射出的β粒子最大能量约为18.7keV，在SiC中射程几个微米，在金属中的射程更短，因此不需要考虑额外的屏蔽，有利于电池的微型化、轻便化和安全使用；
本发明结构简单，利用长半衰期、高能量密度、不易受环境影响、价格便宜的3H同位素作为能量来源，换能单元材料SiC为第三代半导体材料，内部能量转换效率高，抗辐射，抗高温，形成可以长时间、适应能力强、稳定工作的电源装置。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池的结构纵向剖面示意图。
附图标记说明：
1-SiC换能元件，11-第一层，12-第二层，13-包覆层，2-电极，21-发射极，22-收集极，3-3H同位素源，4-盲孔。
具体实施方式
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，若发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
参见图1。
本发明提供的SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池包括呈三维结构的SiC换能元件1、电极单元2和至少一个3H同位素源3，所述SiC换能元件1采用PIN型结构，所述3H同位素源3设置在所述SiC换能元件1内，所述电极单元2与所述SiC换能元件1连接。
具体地，所述SiC换能元件1包括相互叠加在一起的第一层11和第二层12以及包裹在所述3H同位素源3外的包覆层13，所述包覆层13伸入所述第二层12内，其中，所述第一层11采用N型SiC材料，所述第二层12采用I型SiC材料，所述包覆层13采用P型SiC材料，或者，所述第一层11采用P型SiC材料，所述第二层12采用I型SiC材料，所述包覆层13采用N型SiC材料。
所述电极单元2包括收集极22和发射极21，所述收集极22和所述发射极21分别与所述第一层11和所述包覆层13连接。当所述第一层采用N型SiC材料、所述包覆层采用P型SiC材料时，所述收集极与所述第一层连接、所述发射极与所述包覆层连接；当所述第一层采用P型SiC材料时、所述包覆层采用N型SiC材料时，所述收集极与所述包覆层连接、所述发射极与所述第一层连接。
所述包覆层13形成一个以上的盲孔4，所述3H同位素源3铺设在所述盲孔4的孔壁上。
在一实施例中，具体设计如下：
1.所述3H同位素源3使用3H源，先通过磁控溅射沉积Ti金属在所述SiC换能元件1的三维结构内，而后将3H吸附在Ti金属层中，厚度为120nm；
2.所述SiC换能元件1采用半导体材料SiC，采用三维结构圆孔结构，通过干法刻蚀工艺实现，盲孔4直径为1μm，孔深为10μm；
3.所述SiC换能元件1的PIN结构通过CVD外延生长实现，其中所述第一层11采用N型SiC材料，所述N型SiC材料中掺杂氮元素，掺杂浓度为1019cm-3，厚度为50μm；所述第二层12采用I型SiC材料，所述I型SiC材料中掺杂氮元素，掺杂浓度为1015cm-3，厚度为15μm；包覆层采用P型SiC材料，所述P型SiC材料中掺杂铝元素，掺杂浓度为1019cm-3，厚度大于50nm；
4.所述发射极21采用蒸镀金属方式制备，金属材料为Au，Au层厚度为200nm；收集极22采用涂抹银胶方式制备，银胶厚度为400nm。
本实施例电池的能量转换效率为21％，功率密度大于10μW/cm3。
在另一实施例中，具体设计如下：
1.所述3H同位素源3使用3H源，先通过室温熔盐电沉积Mg-Ni合金在所述SiC换能元件1的三维结构内，而后将3H吸附在Mg-Ni合金的金属层中，厚度为200nm；
2.所述SiC换能元件1采用半导体材料SiC，采用三维结构圆孔结构，通过干法刻蚀工艺实现，盲孔4直径为5μm，孔深为25μm；
3.所述SiC换能元件1的PIN结构通过CVD外延生长实现，其中所述第一层11采用N型SiC材料，所述N型SiC材料中掺杂磷元素，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为350μm；所述第二层12采用I型SiC材料，所述I型SiC材料中掺杂磷元素，掺杂浓度为1015cm-3，厚度为30μm；包覆层采用P型SiC材料，所述P型SiC材料中掺杂硼元素，掺杂浓度为1019cm-3，厚度大于100nm；
4.所述发射极21采用磁控溅射镀镍方式制备，镍层厚度为200nm；收集极22采用电子束蒸镀铝方式制备，铝层厚度为250nm。
本实施例电池的能量转换效率为22％，功率密度大于10μW/cm3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：包括呈三维结构的SiC换能元件(1)、电极单元(2)和至少一个3 H 同位素源(3)，所述SiC换能元件(1)采用PIN型结构，所述3 H 同位素源(3)设置在所述SiC换能元件(1)内，所述电极单元(2)与所述SiC换能元件(1)连接；
所述SiC换能元件(1)包括相互叠加在一起的第一层(11)和第二层(12)以及包裹在所述3 H 同位素源(3)外的包覆层（13），所述包覆层（13）伸入所述第二层(12)内。
2.根据权利要求1所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述第一层(11)采用N型SiC材料，所述第二层(12)采用I型SiC材料，所述包覆层（13）采用P型SiC材料，或者，所述第一层(11)采用P型SiC材料，所述第二层(12)采用I型SiC材料，所述包覆层（13）采用N型SiC材料。
3.根据权利要求2所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述电极单元(2)包括收集极(22)和发射极(21)，所述收集极(22)和所述发射极(21)分别与所述第一层(11)和所述包覆层（13）连接。
4.根据权利要求2或3所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述包覆层（13）在所述第二层(12)内形成一个以上的盲孔(4)，所述3 H 同位素源(3)铺设在所述盲孔(4)的孔壁上。
5.根据权利要求4所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述盲孔(4)的孔径为0.01μm~100μm，所述盲孔(4)的孔深为0.01μm~1000μm。
6.根据权利要求4所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述3 H 同位素源(3)的铺设厚度为0.01μm~50μm。
7.根据权利要求1或2或3所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H源同位素电池，其特征在于：所述3 H 同位素源(3)为3 H或者为含有3 H 的放射性同位素源混合物。
8.根据权利要求7所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述3 H 同位素源(3)的化学形态为单质形式、化合物形式、混合物形式中的任意一种。
9.根据权利要求1或2或3所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述第一层(11)的厚度为10μm~500μm，所述第二层(12)的厚度为100nm~100μm，所述包覆层（13）的厚度为50nm~50μm。
10.根据权利要求3所述的SiC三维PIN结构辐射伏特式3 H 源同位素电池，其特征在于：所述发射极(21)和所述收集极(22)的材料均为可与半导体形成欧姆接触的导电材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010854285.0A CN112086217B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010854285.0A CN112086217B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112086217A CN112086217A (zh) | 2020-12-15 |
| CN112086217B true CN112086217B (zh) | 2022-12-06 |
Family
ID=73728468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010854285.0A Active CN112086217B (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112086217B (zh) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101527175B (zh) * | 2009-04-10 | 2011-10-12 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种pin型核电池及其制备方法 |
| CN102254581B (zh) * | 2011-06-30 | 2013-09-25 | 西安电子科技大学 | 碳化硅环状电极pin型核电池的制作方法 |
| US9064610B2 (en) * | 2012-04-05 | 2015-06-23 | Raytheon Co. | Betavoltaic battery with diamond moderator and related system and method |
| CN103325433B (zh) * | 2013-06-20 | 2016-04-20 | 北京大学 | 一种单壁碳纳米管pn结同位素电池及其制备方法 |
| CN104051042B (zh) * | 2014-06-29 | 2016-10-12 | 西安电子科技大学 | 并联式PIN型β辐照电池及其制备方法 |
| CN104392761A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-03-04 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种辐射伏特同位素电池及其制备方法 |
| US10580544B2 (en) * | 2016-12-07 | 2020-03-03 | Medtronic, Inc. | Power source and method of forming same |
| CN107103939A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-08-29 | 深圳贝塔能量技术有限公司 | 一种柔性辐射伏特同位素电池 |
| CN108807564B (zh) * | 2018-06-22 | 2019-12-13 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种辐射光伏同位素电池封装结构 |
| CN111446019A (zh) * | 2019-01-25 | 2020-07-24 | 厦门大学 | 三维纳米结构氚伏电池 |
-
2020
- 2020-08-21 CN CN202010854285.0A patent/CN112086217B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112086217A (zh) | 2020-12-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102422363B (zh) | 高能量密度放射性同位素微电源 | |
| US20040150290A1 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| EP1590815A2 (en) | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material | |
| US8816287B2 (en) | Structures for radiation detection and energy conversion using quantum dots | |
| CN104409127B (zh) | 一种复合转换同位素电池 | |
| EP3622539B1 (en) | Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices | |
| US9006955B2 (en) | High-energy beta-particle source for betavoltaic power converter | |
| RU2452060C2 (ru) | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию | |
| CN103109325A (zh) | β伏打设备及方法 | |
| US8937360B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| Krasnov et al. | Advances in the development of betavoltaic power sources (a review) | |
| CN101101797A (zh) | 一种同位素电池制作方法及结构 | |
| CN108492905A (zh) | 一种金刚石PIM肖特基型β辐射伏特效应核电池 | |
| EP3187902A1 (en) | Slow neutron converter and slow neutron detector | |
| CN110444313A (zh) | 一种基于碳化硅PN结型β辐射伏特效应核电池 | |
| CN107945901B (zh) | 一种量子点贝塔伏特电池 | |
| US20140264256A1 (en) | Three dimensional radioisotope battery and methods of making the same | |
| Ding et al. | Quantitative modeling, optimization, and verification of 63Ni-powered betavoltaic cells based on three-dimensional ZnO nanorod arrays | |
| CN205450297U (zh) | 慢中子转换体及慢中子探测器 | |
| CN112086217B (zh) | 一种SiC三维PIN结构辐射伏特式3H源同位素电池 | |
| CN110494929A (zh) | 具有交联结构的电离辐射转换器及其制造方法 | |
| CN106847361A (zh) | 氧化锌pin型核电池 | |
| Liu et al. | Research Progress of Isotope Battery Devices Based on Radiation Voltaic Effect in Diamond | |
| WO2019113842A1 (zh) | 一种量子点贝塔伏特电池 | |
| CN109192350A (zh) | 一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |