[发明专利]一种光电核电池

说明书

技术领域

本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及一种光电核电池。

背景技术

目前在超低功率装置、自动控制系统以及航天电子器件等众多领域，尤其是一些现阶段更换和维修较困难的供电节点，具备长寿命、高效稳定、小尺寸、重量轻、环境适应能力强、工作温度范围宽和输出功率稳定等优势的核电池可以很好的满足这些特殊需求。

常规现有的核电池中，热电温差效应核电池体积较大，难以实现小型化；辐射伏特效应核电池由于放射源释放的粒子是和半导体换能组件直接发生作用，半导体材料易受辐照损伤；而采用辐射能-光能-电能二次换能模式的辐致荧光核电池可以很好的规避上述不足。辐致荧光核电池的具体工作原理是将放射性同位素衰变释放的载能粒子(如α、β粒子)轰击荧光层，辐射激发经过电子辐射跃迁等一系列中间过程后产生荧光，再利用半导体材料收集，光子将能量传递给电子，在材料中产生很多电子空穴对，电子空穴对在PN结的内建电场作用下分别向两侧漂移，在P型侧和N型侧分别收集大量的空穴和电子，将P、N电极和负载相连接，便可形成回路产生电流。其中，荧光层相对于辐射伏特效应核电池中的半导体材料而言耐辐照性能更强。

但是，由于受放射源粒子通量、材料自吸收效应、各部件间匹配耦合程度和光学传输损耗等限制因素，常规结构的辐致荧光核电池的输出功率较低，能量转换效率不高。与此同时另一方面，作为光电换能单元的太阳能电池对太阳光的依赖性较高，在黑暗下便无输出，受环境因素限制较大。该两类供电方式在各自单独工作的情况下，都存在一定的局限性，使得其应用潜质大打折扣。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光电核电池，通过在密封外壳上设置透明窗体，同时将透明的气态氚源置于窗体的下端、电池盒顶端，利用氚释放的β粒子激发荧光层，产生辐致荧光效应释放荧光。则该光电核电池便可在有光的情况下充分利用透过窗体的太阳光，结合光致荧光和辐致荧光两种效应，将产生的荧光一起作用于底端的光伏组件，利用光电效应实现电能输出。即使在无太阳光的黑暗环境下，辐致荧光效应仍可继续发挥作用，使电池持续服役。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种光电核电池，所述核电池包括密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层，其中，所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层，所述密封外壳设一透明窗体，所述的放射源层、荧光层、半导体光伏组件设置于密封外壳内部，并通过密封外壳固定，其中荧光层位于放射源层与半导体光伏组件之间，玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接，荧光粉层与放射源层连接，所述放射源层外部设置玻璃密封结构，所述玻璃密封结构与密封外壳的透明窗体连接。

所述放射源为气态氚源，填充在一密封的硼硅酸盐玻璃弹性透明包囊中，设于玻璃密封结构内。

所述密封外壳为陶瓷材料，所述透明窗体为菲涅尔聚光透镜，且透镜表面涂覆一层厚度均匀的由TiO₂/Al₂O₃材料制成的增透膜。

所述荧光层通过如下方法制备：

步骤1、在硅酸钾溶液中加入荧光粉充分搅拌，再加入硝酸钡溶液,继续搅拌，然后将混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；

步骤2、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获得所需荧光层。

进一步的，步骤1中所述的硅酸钾溶液质量浓度为0.5-2％；

所述的硝酸钡溶液质量浓度为0.1-0.5％；

所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与荧光粉的质量与荧光层的厚度根据如下公式设置：m＝ρsh，其中m为荧光粉的质量，ρ为荧光粉的密度，s为玻璃器皿的底面积，h为荧光层的厚度；

所述的自然沉降时间为1-5h；

步骤2中的烘干温度为200-300℃，烘干时间为0.5h。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的放射源为气态氚，透光性较好，使得结合太阳光共同作用成为可能，增大电池的输出功率，大大提高了电池的能量密度，拓展了电池的应用领域，同时放射性同位素氚的半衰期较长，保证了电池能够长时间工作。

2、本发明核电池采用叠层结构，太阳光和放射源释放的粒子可以应用同一个半导体光伏组件来完成能量转换机制，不仅结构紧凑，激发源的利用率高，而且减少了器件的使用数量，降低了电池本身的内电阻和漏电流，有效降低了电池的故障率。