阅读说明：本技术 载能与换能一体化式核电池 (Energy-carrying and energy-converting integrated nuclear battery ) 是由 陆景彬 李潇祎 许旭 李成乾 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了属于核能利用技术领域的载能与换能一体化式核电池。该核电池的原理是,将辐射伏特效应核电池中的半导体换能材料中的一种或几种稳定同位素替换为放射性同位素,放射性同位素发射的α或β粒子直接沉积在半导体换能材料中,产生大量电子空穴对,由高掺杂的半导体衬底、低掺杂的具有放射性的半导体层和电池肖特基金属层构成肖特基结构,并形成内建电场,电子空穴对在内建电场的作用下发生定向移动,外接负载并形成闭合回路后产生电流。与放射源与换能器件分立结构的核电池相比,本发明能够使放射源与半导体换能材料充分接触,减轻放射源自吸收效应的影响,提高放射源的能量利用率,增加核电池的输出功率。(The invention discloses an energy-carrying and energy-converting integrated nuclear battery, which belongs to the technical field of nuclear energy utilization. The principle of the nuclear battery is that one or more stable isotopes in a semiconductor transduction material in the radiant volt effect nuclear battery are replaced by radioactive isotopes, alpha or beta particles emitted by the radioactive isotopes are directly deposited in the semiconductor transduction material to generate a large number of electron hole pairs, a Schottky structure is formed by a highly doped semiconductor substrate, a low doped radioactive semiconductor layer and a battery Schottky metal layer, a built-in electric field is formed, the electron hole pairs move directionally under the action of the built-in electric field, and a current is generated after the electron hole pairs are externally connected with a load and form a closed loop. Compared with the nuclear battery with the structure that the radioactive source and the energy conversion device are separated, the nuclear battery can ensure that the radioactive source is fully contacted with the semiconductor energy conversion material, reduces the influence of the self-absorption effect of the radioactive source, improves the energy utilization rate of the radioactive source and increases the output power of the nuclear battery.)

载能与换能一体化式核电池

技术领域

本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及一种载能与换能一体化式核电池。

背景技术

核电池是将放射性同位素的衰变能转化为电能的装置，其供电过程中不受外界环境影响，工作状况稳定可靠，不需要人工干预和维护，因此能够在恶劣环境及人类难以到达的场合中长期应用，如深海、深空、极地、偏远地区、心脏起搏器中；其中，辐射伏特效应核电池由于其本身为半导体器件，易于与集成电路进行整合，尤其适合作为微机电系统的能源使用。

然而，目前的辐射伏特效应核电池存在着能量利用率较低的问题，由于放射源本身具有一定的厚度，而放射源释放的α或β粒子穿透性差，一部分α或β粒子与放射源材料本身发生相互作用，并沉积在放射源内部，即产生自吸收效应，这导致大量放射性衰变能量沉积在放射源内部，而不是在换能器件内部产生电子空穴对，此问题制约了辐射伏特效应核电池电学性能的提升；另外，在射线的作用下，辐射伏特效应核电池所用的半导体材料内部会产生辐射损伤，缩短了电池的工作寿命。

传统的辐射伏特效应核电池使用换能材料和放射源分立的结构，对于pn结型核电池，从上至下分别为放射源、正电极、半导体换能器件、背电极。由于放射源的自吸收效应，其衰变产生的α或β粒子只有一部分能够出射，放射源的衰变能只有一部分能够被利用，大量能量沉积在放射源内部并产生温度升高等负面效应；另一方面，核电池的电极通常为金属材料，对于α或β粒子具有阻挡作用。在使用网孔电极的情况下，若网孔过大，则器件的总电阻相对较大，导致核电池的工作电压降低；若网孔过小，则会对放射性粒子有比较明显的阻挡作用，使较多的能量沉积在电极内部而不是半导体材料中，降低了能量的利用率；传统的肖特基型辐射伏特效应核电池从上至下分别为放射源、肖特基金属层、半导体换能器件、欧姆电极，由于自吸收效应，放射源发出的α或β粒子只有一部分能够出射；由于肖特基金属层的阻挡作用，出射的α或β粒子大部分沉积在肖特基金属层中无法被利用。这两方面的共同作用使传统分立结构的β辐射伏特效应核电池的短路电流较小，输出功率较低，放射源的能量利用率低。

发明内容

本发明的目的在于降低放射源自吸收效应带来的影响，提高辐射伏特效应核电池的电学性能，同时减轻辐射损伤对于核电池电学性能的影响。

为实现上述目标，本发明提出了一种载能与换能一体化的核电池，其特征在于该载能与换能一体化核电池包含1-高掺杂的具有放射性的半导体衬底，2-低掺杂的具有放射性的半导体层，3-电池肖特基金属层，4-电池欧姆电极，5-密封外壳。

将半导体换能材料内部的一种或多种稳定同位素替换为具有放射性的同位素，将传统的放射源与半导体换能材料分立的结构改为将放射源均匀分散到半导体换能材料中，从而使放射源与半导体换能材料形成一体化结构。这种结构使放射源与半导体换能材料充分接触，绝大部分放射源发出的α或β粒子都能沉积在半导体换能材料中，最大程度减轻了放射源自吸收效应导致的能量利用效率低下问题。

所述1-高掺杂的具有放射性的半导体衬底和2-低掺杂的具有放射性的半导体层可为本身含有放射性的半导体材料，优选为具有β放射性的碳的同位素¹⁴C构成的金刚石、Si¹⁴C或含有β放射性的镍的同位素构成的⁶³NiO等宽禁带半导体材料。

所述电池肖特基金属层及电池欧姆电极可包含一种或多种元素，也可以具有放射性，即金属层或欧姆电极内部一种或多种稳定同位素被具有放射性的同位素取代。

本发明将放射源与半导体换能结构合二为一，放射性同位素发出的α或β粒子直接与半导体材料本身发生相互作用，产生的电子空穴对被肖特基结构的内建电场分离，并产生定向移动，接通闭合回路后即可形成电流；

本发明使用肖特基型结构，只需要一种类型的掺杂半导体，规避了宽禁带半导体掺杂不对称性问题的影响，且工艺简便。

本发明使用高掺杂浓度半导体与低掺杂浓度半导体相结合的结构，相较于只使用一种掺杂浓度的传统肖特基型结构，更有利于电子空穴对的收集，获得更大的短路电流；

本发明能够利用放射源内部的能量，减轻自吸收效应的影响，提高放射源的能量利用率，有利于获得更大的短路电流；

本发明将放射源与半导体合二为一的结构，避免了放射源在肖特基金属中沉积所造成的能量损失，进一步提高了放射源的能量利用率。

附图说明

图1为本发明示意图。

具体实施方式

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

图1为基于¹⁴C金刚石的载能换能一体化核电池示意图，本实施例包括1-高掺杂的具有放射性的半导体衬底，2-低掺杂的具有放射性的半导体层p型低掺杂的¹⁴C金刚石层，3-电池肖特基金属层，4-电池欧姆电极，5-密封外壳。

本实施例中，所述1-高掺杂的具有放射性的半导体衬底为p型高掺杂的由β放射性同位素¹⁴C构成的单晶金刚石衬底，2-低掺杂的具有放射性的半导体层为p型低掺杂的由β放射性同位素¹⁴C构成的单晶金刚石衬，3-电池肖特基金属层为由β放射性同位素⁶³Ni构成的镍质肖特基金属层，4-电池欧姆电极为Ti/Pt/Au欧姆电极。

本实施例所述载能与换能一体化式核电池的制备方法，包含如下步骤：

(1)使用高温高压法合成p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底，晶向为{001}，碳源为含有¹⁴C的石墨，通过硼原子掺杂获得p型导电性，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3。

(2)使用H₂/O₂混合等离子体对p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底进行表面预处理15min，去除表面污染物。

(3)使用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底上方合成p型低掺杂的¹⁴C金刚石层，使用的气体为¹⁴CH₄和H₂，通过硼原子掺杂获得p型导电性，硼源为B₂H_6，掺杂浓度<10¹⁵cm^-3，完成载能换能部分的制备。

(4)使用激光切割由p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底和p型低掺杂的¹⁴C金刚石层组成的载能换能部分，以获得无缺陷的载能换能器件。

(5)在Ar-O等离子体中蚀刻p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底和p型低掺杂的¹⁴C金刚石层，获得氧终止表面。

(6)使用SAS、丙酮、异丙醇对p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底和p型低掺杂的¹⁴C金刚石层进行化学清洗，并在680℃、空气环境下退火。

(7)使用磁控溅射法在p型高掺杂的¹⁴C单晶金刚石衬底下表面和p型低掺杂的¹⁴C金刚石层制备Ti/Pt/Au欧姆电极。

(8)在室温下，Ar气氛中，在p型低掺杂的¹⁴C金刚石层表面沉积⁶³Ni肖特基金属层。

(9)在Ti/Pt/Au欧姆电极上连接第一引线和第二引线，并使用密封外壳对电池进行封装。