[发明专利]一种基于宽禁带半导体纳米管阵列薄膜结构的同位素电池

说明书

技术领域

本发明涉及同位素电池，尤其是涉及一种基于宽禁带半导体纳米管阵列薄膜结构的同位素电池。

背景技术

随着传感网络功能的扩大，越来越多的微传感系统被置于特殊的环境下使用(比如海底、建筑墙体内部、人体内部、高山或海岛等无人值守的地方等)，这时常规电池的更换变得极为不便，甚至于不可能。因此，体积小、能量密度高、长寿命电源的缺乏，已成为制约微型传感系统实用化的“瓶颈”。而核电池能够弥补这些不足，且易微型化和集成化，目前已成为微能源研究的重要方向，其在医学、军事、航空、通用民用领域等有广阔的应用前景。

至今，将同位素辐射衰变能转换为电能主要有4种转换机制：热电转换、直接充电、直接能量转换以及间接能量转换。热电同位素电池结构复杂，很难实现微型化。直接充电式同位素电池电流很小，驱动能力极弱。间接转换式同位素电池转换效率普遍偏低(<1％)。而直接转换同位素电池通过收集辐射粒子在周围环境电离出的带电离子，或者在半导体材料中激发出的电子空穴对，从而实现电流倍增，极大地提高了电流密度和转换效率，是目前微型同位素电池的主要研究方向。

在直接转换同位素电池研究方面，美国康奈尔大学的Amit Lal等人(H.Guo,A.Lal.Nanopower betavoltaic microbatteries[J].Transducer2003,pp.36-39,Boston,MA,2003)将单晶硅p-n结表面结构加工为倒金字塔状，利用1毫居(mCi)的镍-63液态放射源，电池的短路电流为2.86nA，开路电压为128mV，最大输出功率为0.32nW。Hang Guo等人(H.Guo,H.Yang and Y.Zhang.Betavoltaic microbatteries using porous silicon[J].IEEEMEMS2007,pp.867-870,Hyogo,Jan.21-25,2007)利用多孔硅制造微型同位素电池，在钷-147辐射源照射下，开路电压为0.12V，转换效率为1.75％。为了提高电池转换效率，研究人员将目光转向宽禁带半导体。Eiting等人(C.J.Eiting,V.Krishnamoorthy,S.Rodgers,and T.George.Demonstration of aradiation resistant,high efficiency SiC betavoltaic[J].Applied Physics Letters,Vol.88(77),pp.305-319,2006)研制的SiC基β辐射伏特同位素电池，在230mCi活度的高能辐射源磷-33(最大值为249keV)的照射下，输出的开路电压高达2.04V，转换效率为4.5％。Chandrashekhar等人(M.V.S.Chandrashekhar,C.I.Thomas,H.Li,M.G.Spencer and A.Lal.Demonstrationof a4H-SiC betavoltaic cell[J]Applied Physics Letters,Vol.88(7),pp.423-429,2006)研制的基于4H-SiC的p-n结微型同位素电池，在1mCi活度的镍-63固态辐射源照射下，开路电压达到0.72V，转换效率达到了6％。由此可见，虽然直接转换同位素电池能量转化效率在逐步提高，但是仍然没有取得大的突破，远未达到工程应用的程度。因此，如何提高微型同位素电池的能量转换效率是目前研究的当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宽禁带半导体纳米管阵列薄膜结构的同位素电池。

本发明设有衬底、收集电极、半导体纳米管阵列薄膜和同位素辐射源，所述半导体纳米管阵列薄膜经过表面修饰和掺杂改性形成肖特基结或异质结，所述同位素辐射源位于半导体纳米管阵列薄膜的纳米管内，收集电极和衬底分别设于半导体纳米管阵列薄膜的上表面和下表面,将半导体纳米管阵列薄膜膜与分别镀有收集电极层的上下衬底封装。

所述基于宽禁带半导体纳米管阵列薄膜结构的同位素电池可为单层同位素电池，或并联堆垛级联结构同位素电池，或串联堆垛级联结构同位素电池，或串并联堆垛级联结构同位素电池，从而增大输出电压和电流。