一种β辐射伏特光伏双重效应核电池

本发明涉及核技术应用，特别涉及一种β辐射伏特光伏双重效应核电池。

背景技术：

1、随着现代科技的飞速发展，特别是在航空航天、深海探测、极地科考以及微型机电系统等领域，对于高功率密度、长寿命且超小型电源的需求日益迫切。传统的化学电池在能量密度和寿命上已难以满足这些特殊应用的需求，因此，开发新型的、具有更高能量转换效率和更长使用寿命的电源技术成为当前研究的热点。

2、同位素电池是一种利用放射性同位素衰变过程中释放的能量或由其引起的热效应、光效应或电离作用等并将其转换为电能的装置。由于放射性同位素的衰变过程具有其独特的特点，使得其具有如下优势：首先，放射性同位素的衰变不受温度、压力、磁场、化学反应等环境因素的影响，因此依赖于放射性同位素衰变发电的同位素电池具有极高的工作稳定性；其次，应用于同位素电池中的同位素衰变释放的能量密度较高，远远高于其他常用能量来源形式释放的能量密度。另外，应用于同位素电池的放射性同位素半衰期较长，这保证了同位素电池工作的长期性，也使得同位素电池在工作过程中无需频繁补充材料或能量。因此，同位素电池被认为是一种极具潜力的新型电源技术。

3、在同位素电池的研究中，β辐射伏特效应是一种重要的能量转换机制。当β粒子通过材料时，它们会与材料中的电子和原子核发生相互作用，从而产生一定的电势差。这种效应源于β粒子在材料中的能量转移过程，它们与材料中的电子发生散射或碰撞，导致电子的移动和分离，进而形成电流。与此同时，光伏效应是另一种重要的能量转换方式，它利用半导体材料的光电特性，将光能直接转换为电能。结合β辐射伏特效应和光伏效应，我们提出了一种β辐射伏特光伏双重效应核电池。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，包括1-al反射层，放射源与荧光粉复合层，氮化镓p-i-n结器件和电池防护外壳，所述1-al反射层、放射源与荧光粉复合层和氮化镓p-i-n结器件均利用粘合材料粘接在电池防护外壳的内部；

4、所述氮化镓p-i-n结器件内部结构依次设置有正面铟锡金属氧化物(ito)薄膜电极层、p型氮化铝镓帽子层、p型氮化铝镓窗口层、p型氮化铝镓发射层、氮化铝镓本征层、n型氮化铝镓基区层、n型氮化铝镓背散层、渐变氮化铝镓缓冲层、氮化镓衬底层和背面金属电极层，所述放射源与荧光粉复合层通过电泳沉积设置在1-al反射层的上表面；

5、所述背面金属电极层的下表面粘接有导电胶，所述导电胶的下表面粘接有金属板，所述金属板的下表面粘接有粘合材料，所述粘合材料的下表面与电池防护外壳内部的底壁粘接在一起；

6、所述正面铟锡金属氧化物(ito)薄膜电极层的上表面焊接有电池正极引线，所述金属板的上表面焊接有电池负极引线，所述电池防护外壳的外表面设置有与电池正极引线配合使用的电池正极引线的连接孔和与电池负极引线配合使用的电池负极引线的连接孔。

7、优选的，所述放射源与荧光粉复合层采用63ni和zns:cu,al粉复合而成，其厚度为10-150μm。

8、优选的，所述电池防护外壳由高分子聚乙烯塑料构成，所述电池防护外壳的厚度为50-100μm。

9、优选的，所述p型氮化铝镓帽子层的镁原子掺杂浓度为1×1019-9×1019cm-3，其厚度为0.01-0.1μm；所述p型氮化铝镓窗口层的镁原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，其厚度为0.05-0.1μm；所述p型氮化铝镓发射层的镁原子掺杂浓度为1×1018-9×1018cm-3，其厚度为0.1-0.5μm。

10、优选的，所述p型氮化铝镓帽子层的镁原子掺杂优选浓度为3.5×1019cm-3，其优选厚度为0.04μm；所述p型氮化铝镓窗口层的镁原子掺杂优选浓度为3×1016cm-3，其优选厚度为0.08μm；所述p型氮化铝镓发射层的镁原子掺杂优选浓度为3×1018cm-3，其优选厚度为0.4μm。

11、优选的，所述氮化铝镓本征层的厚度为0.1-1μm，且优选厚度为0.48μm。

12、优选的，所述n型氮化铝镓基区层的硅原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，且优选浓度为3×1016cm-3，所述n型氮化铝镓基区层的厚度为1-5μm，且优选厚度为3μm。

13、优选的，所述n型氮化铝镓背散层的硅原子掺杂浓度为1×1018-9×1018cm-3，且优选浓度为3×1018cm-3，所述n型氮化铝镓背散层的厚度为0.1-1μm，且优选厚度为0.4μm。

14、优选的，所述渐变氮化铝镓缓冲层的硅原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，且优选浓度为4×1016cm-3，所述渐变氮化铝镓缓冲层的厚度为1-9μm，且优选厚度为4μm。

15、优选的，所述氮化镓衬底层的硅原子掺杂浓度为1×1020-9×1020cm-3，且优选浓度为1×1020cm-3，所述氮化镓衬底层的厚度为1-350μm。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、1、本发明提供的β辐射伏特光伏双重效应核电池，不仅能够利用放射性同位素衰变过程中释放的β粒子能量，通过β辐射伏特效应转换为电能，同时还能够利用光伏效应进一步提高能量转换效率，有效地利用了辐射伏特和光伏双重效应，提高了核电池的输出性能，解决核电池的能量转换效率低的问题，使得核电池在能量转换效率和稳定性上得到了显著提升。

18、2、本发明提供的β辐射伏特光伏双重效应核电池，通过精确控制氮化镓各层的掺杂浓度与厚度，优化了器件的量子效率与载流子传输特性，使得电池能在较小体积内存储更多能量，实现高能量密度。选用半衰期较长的放射性同位素作为放射源，确保了电池的长期稳定供电能力，延长了使用寿命。

19、3、本发明提供的β辐射伏特光伏双重效应核电池，核电池防护外壳采用耐腐蚀的高分子聚乙烯材料，有效隔绝外部环境影响，保证电池在极端温度、压力及辐射条件下仍能稳定工作，其封闭式设计与坚固的封装技术降低了日常维护需求，减少了维护频率和成本。

20、4、本发明提出的技术路线支持核电池基片的大面积制备，可根据实际需求灵活切割成不同尺寸的核电池单元，满足多样化应用场景的需求，便于大规模生产和应用推广。

技术特征：

1.一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：包括1-al反射层(1)，放射源与荧光粉复合层(2)，氮化镓p-i-n结器件和电池防护外壳(15)，所述1-al反射层(1)、放射源与荧光粉复合层(2)和氮化镓p-i-n结器件均利用粘合材料(16)粘接在电池防护外壳(15)的内部；

2.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述放射源与荧光粉复合层(2)采用63ni和zns:cu,al粉复合而成，其厚度为10-150μm。

3.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述电池防护外壳(15)由高分子聚乙烯塑料构成，所述电池防护外壳(15)的厚度为50-100μm。

4.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述p型氮化铝镓帽子层(4)的镁原子掺杂浓度为1×1019-9×1019cm-3，其厚度为0.01-0.1μm；所述p型氮化铝镓窗口层(5)的镁原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，其厚度为0.05-0.1μm；所述p型氮化铝镓发射层(6)的镁原子掺杂浓度为1×1018-9×1018cm-3，其厚度为0.1-0.5μm。

5.根据权利要求4所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述p型氮化铝镓帽子层(4)的镁原子掺杂优选浓度为3.5×1019cm-3，其优选厚度为0.04μm；所述p型氮化铝镓窗口层(5)的镁原子掺杂优选浓度为3×1016cm-3，其优选厚度为0.08μm；所述p型氮化铝镓发射层(6)的镁原子掺杂优选浓度为3×1018cm-3，其优选厚度为0.4μm。

6.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述氮化铝镓本征层(7)的厚度为0.1-1μm，且优选厚度为0.48μm。

7.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述n型氮化铝镓基区层(8)的硅原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，且优选浓度为3×1016cm-3，所述n型氮化铝镓基区层(8)的厚度为1-5μm，且优选厚度为3μm。

8.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述n型氮化铝镓背散层(9)的硅原子掺杂浓度为1×1018-9×1018cm-3，且优选浓度为3×1018cm-3，所述n型氮化铝镓背散层(9)的厚度为0.1-1μm，且优选厚度为0.4μm。

9.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述渐变氮化铝镓缓冲层(10)的硅原子掺杂浓度为1×1016-9×1016cm-3，且优选浓度为4×1016cm-3，所述渐变氮化铝镓缓冲层(10)的厚度为1-9μm，且优选厚度为4μm。

10.根据权利要求1所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，其特征在于：所述氮化镓衬底层(11)的硅原子掺杂浓度为1×1020-9×1020cm-3，且优选浓度为1×1020cm-3，所述氮化镓衬底层(11)的厚度为1-350μm。

技术总结本发明涉及核技术应用技术领域，尤其为一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，包括1‑Al反射层，放射源与荧光粉复合层，氮化镓p‑i‑n结器件和电池防护外壳，所述1‑Al反射层、放射源与荧光粉复合层和氮化镓p‑i‑n结器件均利用粘合材料粘接在电池防护外壳的内部；氮化镓p‑i‑n结器件内部结构依次设置有正面铟锡金属氧化物(ITO)薄膜电极层、p型氮化铝镓帽子层、p型氮化铝镓窗口层、p型氮化铝镓发射层、氮化铝镓本征层、n型氮化铝镓基区层、n型氮化铝镓背散层、渐变氮化铝镓缓冲层、氮化镓衬底层和背面金属电极层。本发明所述的一种β辐射伏特光伏双重效应核电池，有效地利用了辐射伏特和光伏双重效应，提高了核电池的输出性能，解决核电池的能量转换效率低的问题。技术研发人员：荣磊,霍柯宇,连欣悦,付邹,李庆麒,龚俊豪,丁宇轩,艾合坦木·艾尼瓦尔,江飞霖受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18