[发明专利]一种微型氚电池及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明属微型电池领域，涉及一种微型同位素电池。

背景技术

同位素电池可广泛应用于航空器、传感器、微机械、纳米器件、消费电子等领域，被认为是最具发展潜力的新型微型电池。实验上制作的氚电池的输出功率在nW/cm²的量级，有的甚至不足1 nW/cm²，器件效率低于0.1%，如果计入放射源β电子源自吸收的能量，则总的转换效率更小。主要原因有：

（1）氚源自吸收导致β电子能量多湮没在放射源内部；

（2）β电子穿透半导体结区的能量损失，如在单晶硅表面通过热扩散形成的pn结的表面必然有一定的深度在自建电场区之外，造成β电子分离的电子~空位对收集效率低；

（3）欧姆电极和放射源相互影响，如果放射源在欧姆电极和pn结之间则影响载流子的传输，如果放射源在欧姆电极之外，则β电子穿过电极会耗费能量；

（4）氚的形态或载体，金属氚化物的自吸收造成表面辐射出的功率比氚气还低，直接使用氚气则会造成污染，若采用氚气直接吸附在三维pn结内壁的方法，虽然有助于提高氚β电子的利用率，但是氚气吸附量很小。

硅三维pn结比平面pn结的表面积大幅提高，成为目前氚电池研究的热点。硅三维pn结是以微米级以上硅直孔为基本结构，采用增加pn结与放射源的接触面积，以应对固态氚源表面辐射功率小的问题，同时单晶孔壁也为载流子传输提供了条件。2005年美国Rochester大学的Sun W等人在《Advanced Materials》杂志上首次提出三维pn结用于β伏特效应电池。美国Pittsburgh大学的Liu BJ等人对氚化三维pn结及平面pn结器件做了比较，研究了固态氚化物源和结区吸附氚气的β伏特效应电池，表明三维pn结可以提高氚源的利用效率。三维pn结的深径比较大，受孔内掺杂均匀性、放射源加载、及电极制作等技术限制。这就造成该三维pn结表面积被限制在1 m²/cm³以内，氚原子在硅表面的吸附量有限，Guo H等人也指出其氚吸附量受到限制。另外，这种结构还是无法摆脱β粒子穿透性的能量损失和电极的影响。

纳米多孔硅与三维结构有所不同，它是由5 nm以下的纳米孔和硅纳米晶组成，具有超大的表面积900 m²/cm³，孔隙率可以从40%~70%之间变化，因此大约有20%的硅原子位于纳米晶表面，含有大量Si-H键，约10²² cm^-3量级，由于氚与氢具有相同的化学性质，纳米多孔硅吸附氚的能力也得到证实。美国Tam SW等人提出和制作了纳米多孔硅作为氚的载体用于β伏特效应电池：在氚气氛中，氚与氢原子交换，制备的氚化多孔硅可以达到10~100 mCi/cm²。纳米多孔硅内部存在大量的缺陷，电阻率较高，影响载流子传输，所以不能制作pn结，只适合做氚载体。

可以看出：微米级以上的直孔三维结构是较好的能量转换器件的基本结构，但氚的吸附量很小；纳米多孔硅含大量纳米孔和纳米晶，可以作为氚载体，但内部含有大量缺陷，导致其不适合单独作为能量转换的器件。

发明内容

本发明目的在于提高微型氚电池中氚β电子的利用效率。

为实现上述目的，本发明提供一种微型氚电池及其制备方法。所述微型氚电池其特征在于，包括若干层氚电池单元、防护材料、外壳和外接电极，所述氚电池单元包括单晶硅、镶嵌在单晶硅内的柱形氚化纳米多孔硅和位于单晶硅两面的表面电极，所述氚电池单元通过表面电极的接触顺次连接，所述外接电极分别与氚电池单元顺次连接后两端的表面电极连接，并与外壳绝缘。

所述防护材料可以是聚氯乙烯复合材料、聚四氟乙烯或氯丁橡胶，并形成密封的空间，连接处采用聚四氟乙烯或氯丁橡胶制成的O型圈密封。所述外壳为不锈钢，所述表面电极可以是金、铝、钛、铜薄膜中的一种，且厚度低于1μm。所述单晶硅电阻率为1~100Ωcm，所述纳米多孔硅是由5nm以下的硅纳米晶和纳米孔构成的海绵状结构。所述柱形氚化纳米多孔硅，高度1~60μm，间距0.5~2μm，宽度0.2~1.5μm。

制备上述微型氚电池的制备方法，硅片为1~100Ωcm的n型硅片，其特征在于，包括如下步骤：