一种气态源吸附型辐射伏特式核电池及其制备方法

本发明涉及半导体材料技术与核技术应用领域，具体涉及一种气态源吸附型辐射伏特式核电池及其制备方法。

背景技术：

1、目前主流能源系统，如燃料电池与锂电池，温度耐受性较差、需频繁充电；光伏电池受到光照条件限制，在远日深空、无光深海等环境难以工作。相比之下，辐射伏特式核电池，采用半衰期达10~100年的同位素源作为能源，具有能量密度高、环境适应性强、不受光照限制、寿命长达数年等特点，在“三深”探测领域具有广泛的应用前景。

2、受限于过高的同位素源自吸收能损，当前辐伏核电池总能量转换效率较低，严重制约其发展应用。为提升源效率与输出功率，国内外研究者从去除源衬底、耦合三维器件与源原位掺杂等方向进行了有益尝试。俄罗斯bormashov等制备无衬底63ni源叠层金刚石核电池，总效率达1.25%，较传统构型提升2倍。美国rebecca j.nikolic等耦合147pm2o3源至多孔硅内，较平面硅输出功率提高42%。吉大陆景彬课题组理论构筑63nio/si异质结核电池，较传统外源型功率密度提升10倍。加拿大mykhaylo evstigneev等提出氚化硅半导体核电池，理论总效率达12.1%。然而，无衬底或三维加载方式对核电池总效率的提升效果有限；原位掺杂构型虽可显著提升总效率，但实验难度较大，难以推广。为解决当前辐伏核电池发展困境，亟需寻找一种有效可行的同位素源加载新思路。

3、针对此问题，本发明改变传统同位素源加载思路，采用气态同位素源，通过将同位素源吸附至半导体换能单元内，降低源自吸收影响，解决同位素源效率低的限制问题，同时气态源吸附材料采用超薄纳米层，辐伏核电池的总能量转换效率有望提升至近10%。

技术实现思路

1、本发明提供的一种气态源吸附型辐射伏特式核电池，采用气态源吸附纳米层作为放射源吸附载体，与衬底材料构成换能单元，实现放射源在辐伏核电池换能单元内的原位吸附，能够降低源自吸收影响，解决同位素源效率低的限制问题。

2、本发明提供的一种气态源吸附型辐射伏特式核电池，包括半导体换能单元、放射源和电极层，其中：

3、所述半导体换能单元自下而上依次为衬底层和气态源吸附纳米层；

4、所述放射源吸附至半导体换能单元内；

5、所述电极层包括第一接触电极和第二接触电极；

6、所述第一接触电极、第二接触电极分别位于气态源吸附纳米层的上面和衬底层的下面。

7、优选地，上述的衬底层为半导体材料，包括第一代、第二代、第三代与超宽禁带半导体材料，如锗、硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓、金刚石、氧化钾或氮化铝等。

8、优选地，上述的气态源吸附纳米层包括六方氮化硼（h-bn）、tio2或zno等。

9、优选地，上述的放射源包括α放射性同位素或β放射性同位素源中的一种，包括氚，氪-85等气态放射源。

10、优选地，上述的电极层包括铂、金、银、铝、 钛、镍、钼、铜、钨、锗、铟、镓和石墨烯等中的任意一种或任意几种相组合的复合电极。

11、优选地，上述的第一接触电极和第二接触电极通过如下制备方法制备：磁控溅射、电子束蒸发或光刻方法等。

12、优选地，上述的衬底层厚度介于20 nm—350 μm，气态源吸附纳米层厚度介于5nm—10 μm。电极层厚度介于20 nm—10 μm。例如衬底层的厚度为20 nm、30 nm、100 nm、150nm、200 nm、500 nm、800 nm、1 μm、10 μm、50 μm、100 μm和350 μm。气态源吸附纳米层厚度为5 nm、10 nm、15 nm、20 nm、50 nm、80 nm、100 nm、150 nm、500 nm、800 nm、1 μm或10 μm。电极层的厚度为20 nm、50 nm、60 nm、100 nm、150 nm、200 nm、300 nm、400 nm、600 nm、800nm、1 μm或10 μm。

13、制备如上任一所述的气态源吸附型辐伏核电池的方法，包括以下步骤：

14、（1）制备衬底层；

15、（2）制备气态源吸附纳米层，所述气态源吸附纳米层包括放射源；

16、（3）将衬底层和气态源吸附纳米层复合，得到半导体换能单元；

17、（4）在气态源吸附纳米层的上面制备第一接触电极，在衬底层的下面制备第二接触电极。

18、进一步地，步骤（1）包括：将金刚石(111)面置于酸性溶液沸腾，冷却，清洗，烘干，利用等离子体化学气相沉积（mpcvd）实现对金刚石（111）面的氢终端处理。

19、优选地，步骤（2）包括：将b2o3溶解在甲醇中，然后加入固体尿素，形成白色结晶粉末，将所得粉末在氮气/氢气流量下，煅烧，形成含氧掺杂 h-bn，然后通过不断的机械剥离，得到h-bn层，将h-bn层在室温下进行氚的吸附。

20、进一步地，步骤（3）中，h-bn通过湿法转移到氢终端金刚石表面， 得到h-bn/金刚石异质结。具体转移过程如下：首先在以铜箔为基底的h-bn层表面旋涂一层pmma溶液，并将pmma/h-bn/cu叠层样品放置在恒温加热台上加热，使得pmma溶液发生玻璃化转变而固化。然后将pmma/h-bn/cu样品悬浮放置于fecl3溶液中，以腐蚀铜箔基底，待铜箔基底腐蚀完全后， 将pmma/ h-bn转移至金刚石上，并将pmma/ h-bn /金刚石置于丙酮溶液中直至pmma完全去除。 最后分别用无水乙醇和去离子水将 h-bn/金刚石样品清洗干净并在室温下自然晾干，得到h-bn/金刚石异质结。

21、本发明提供的一种气态源吸附型辐伏核电池，气态源吸附半导体材料采用超薄纳米层，具有良好的电学性质、优良的力学性能和较高的抗氧化性，同时尽可能减小了半导体层对放射源层的吸收阻挡作用。

22、本发明具有以下有益效果：

23、本发明提供的一种气态源吸附型辐伏核电池，将放射源吸附结构引入辐伏核电池的半导体换能单元内，通过有效降低衰变粒子输运能量损失、耦合异质结内建电场增强作用，有望实现辐伏核电池总能量转换效率的大幅提升。

技术特征：

1.一种气态源吸附型辐射伏特式核电池，其特征在于，所述电池结构包括半导体换能单元（1）、放射源（2）和电极层（3），其中：

2.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于，所述的衬底层（11）为半导体材料，优选所述半导体材料包括第一代、第二代、第三代与超宽禁带半导体材料中的一种或多种；如所述半导体材料为锗、硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓、金刚石、氧化钾和氮化铝中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于，所述的气态源吸附纳米层（12）包括h-bn（六方氮化硼）、tio2或zno。

4.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于，所述的放射源（2）包括α放射性同位素或β放射性同位素源中的一种，优选所述的放射源（2）包括氚和氪-85气态放射源中的一种。

5.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于，所述的电极层（3）包括铂、金、银、铝、钛、镍、钼、铜、钨、锗、铟、镓和石墨烯中的任意一种或任意几种相组合的复合电极。

6.根据权利要求1所述的核电池，其特征在于，所述的衬底层（11）厚度介于20 nm—350μm，气态源吸附纳米层（12）厚度介于5 nm—10 μm，电极层（3）厚度介于20 nm—10 μm。

7.制备如权利要求1-6任一项所述的核电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（1）包括：将金刚石（111）面置于酸性溶液沸腾，冷却，清洗，烘干，利用等离子体化学气相沉积（mpcvd）实现对金刚石（111）面的氢终端处理；

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（3）包括将h-bn通过湿法转移到氢终端金刚石表面，得到h-bn/金刚石异质结；

技术总结本发明公开了一种气态源吸附型辐射伏特式核电池及其制备方法，其基本结构包括半导体换能单元（1）、放射源（2）和电极层（3）。半导体换能单元（1）是由衬底层（11）和气态源吸附纳米层（12）组成；放射源（2）吸附至半导体换能单元（1）内；电极层（3）位于半导体换能单元（1）的两侧，用于引出电流。本发明采用原位吸附放射源至换能单元的构型，降低源自吸收影响，提高电池效率与输出功率，同时气态源吸附材料采用超薄纳米层，具有良好的电学性能和力学性能，且减小了放射源层的吸收阻挡作用，有望使总能量转换效率接近10%。技术研发人员：张佳辰,吕坤伦,温焕飞,张亦弛,唐军受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11