[发明专利]氧化锌PIN型核电池

说明书

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，是将放射性能量转化为电能的电池装置。

技术背景

放射性同位素电池(核电池)是将放射性同位素的衰变能转换成电能的装置。核电池具有工作稳定、环境适应力强、使用寿命长、能量密度大、体积小等优点，能够在复杂环境下提供稳定可靠的电离支持，因而在微机电系统、深空探索、极端地球环境研究方面具有巨大的应用前景。

目前核电池的主要种类有温差核电池、光伏效应核电池、电容式核电池、辐射伏特效应核电池等。温差核电池利用放射源热效应造成的温差进行发电，功率较大但所需放射源活度很大，转换效率较低；光伏效应核电池用放射源发出放射性粒子打在荧光物质上发光，利用光子与物质的光伏效应产生电流，因为经过二次转换而效率很低；电容式核电池将放射源放出的带电粒子直接收集在极板上，形成电容器，电压可达到很高，但收集电荷较少，因而电流较小。本发明涉及的辐射伏特效应核电池的工作原理是：利用放射源出射粒子的电离作用，在半导体材料中产生大量电子空穴对，电子空穴对在PN结内建电场的作用下发生定向移动，在P型侧收集到大量的空穴，在N型侧收集到大量的电子，连接P型电极和N型电极并接入负载，回路中就会产生电流。

ZnO材料是一种宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，制成的核电池有较大的理论转换效率；来源丰富，价格低廉，有很高的热稳定性及化学稳定性，抗辐射损伤能力强，生长温度相对较低且污染较小，因此本发明将ZnO材料作为核电池的换能材料使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用ZnO材料作为换能材料的PIN型核电池，从而提高核电池电流大小，降低换能器件的辐射损伤程度，提高核电池的转换效率。

本专利使用PIN型结构，其原理与PN结大致相同，即利用放射源出射粒子的电离作用，主要在ZnO绝缘层(掺杂浓度很低，几乎为本征半导体)中产生大量电子空穴对；由于绝缘层与两侧的n型及p型掺杂层存在浓度差，PIN结内部会形成穿过绝缘层的内建电场；电子空穴对在内建电场的作用下，电子和空穴得到分离，空穴向p型掺杂层一侧移动，电子向n型掺杂层一侧移动，在p型掺杂层一侧收集到大量的空穴，在n型掺杂层一侧收集到大量的电子；连接p型电极和n型电极并接入负载，形成闭合回路，回路中就会产生电流。

本发明的技术解决方案是：一种PIN型核电池，包括Al₂O₃衬底、n型掺杂层、绝缘层、p型掺杂层、p型接触电极、n型接触电极和同位素层；其中n型掺杂层为掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～2×10²⁰cm^-3的ZnO层；p型掺杂层为掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3的ZnO层。n型掺杂层设置在Al₂O₃衬底表面上，绝缘层设置在n型掺杂层表面上，p型掺杂层设置在绝缘层表面上，n型及p型接触电极分别设置在n型和p型掺杂层表面上。同位素层的上下表面分别设置在两个相同的PIN结表面，且均为p型掺杂层表面与同位素层表面接触。

所述同位素层为锶-90、镍-63或钷-147。

所述p型掺杂层厚度为100～300nm，绝缘层厚度为20～50μm，n型掺杂层厚度为100～300μm。

本发明可做到放射源双面使用，具有较大的电流、较高的能量转换效率，更高的抗辐射损伤能力，且成本相对较低，使用Al₂O₃作为电池外壳同时具有屏蔽效应，使辐射对环境的影响较小。

附图说明

图1为本发明轴剖面示意图。

1-p型接触电极，2-p型掺杂层，3-绝缘层，4-同位素源，5-n型接触电极，6-n型掺杂层，7-ZnO缓冲层，8-Al₂O₃衬底，9-电池外壳

技术方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1