[发明专利]一种无序排列的宽禁带半导体纳米线的同位素电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种同位素电池，具体涉及一种无序排列的宽禁带半导体纳米线的同位素电池。

背景技术

自上个世纪90年代中期以来，微传感器、微执行器己在军事和民用领域得到广泛应用。这些微型功能器件均需要高效率、低功耗、长寿命的适配电源。然而，常规电源(如化学电池、燃料电池和太阳能光伏电池)通常需人为定期维护更换，而且体积大，系统复杂，大大制约了微型传感器系统的工作寿命和适用环境。

“核能源”是解决微型传感系统供电的理想电源，考虑到安全性和经济性，核能源的其中一种形式：同位素辐射能被认为是制造微能源电池最理性的候选能源。基于放射性同位素的核电池具有能量密度高、寿命长、不受环境因素影响的特点。目前为止，将同位素辐射衰变能转换为电能主要有4种转换机制：热电转换式、直接充电式、直接能量转换式、间接能量转换式。其中直接能量转换方法具有易微型化和易集成化的特性，已成当前研究的热点。直接能量转换方法类似于太阳能电池，主要是利用半导体结构吸收同位素源放射的贝塔(β)或阿尔法(α)射线能量并在半导体内产生电子空穴对，通过半导体p-n结或肖特基结的内建电场将电子空穴对分离并转移至收集电极实现能量转换。综合研究表明，直接转换同位素电池所用半导体禁带宽度越大，密度越高，其转换效率越高，抗辐射损伤能力越强。Chandrashekhar等研制的基于4H-SiC的p-n结微型同位素电池，在1mCi活度的⁶³Ni固态辐射源照射下，开路电压达到0.72V，转换效率可达6％(M.V.S.Chandrashekhar,C.I.Thomas,H.Li,M.G.Spencer and A.Lal,“Demonstration of a 4H-SiC betavoltaic cell”,Applied Physics Letters,Vol.88(7),pp.423-429,2006.)。厦门大学的San等人利用一维半导体材料制成基于宽禁带半导体二氧化钛(TiO₂)纳米多孔阵列同位素电池，在10mCi活度的⁶³Ni固态辐射源照射下，电池的开路电压达到1.54V,短路电流为12.4nA，最大有效转化效率达到7.3％(Qiang Zhang,Ranbin Chen,Haisheng San,Guohua Liu,Kaiying Wang,“Betavoltaic effect in titanium dioxide nanotube arrays under build-in potential difference”,Journal of Power Sources,Vol.282,pp.529-533,2015)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种无序排列的宽禁带半导体纳米线的同位素电池。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：包括衬底电极、顶部电极、宽禁带半导体纳米线层和同位素辐射源；所述宽禁带半导体纳米线层包含多个纳米线，所述纳米线的表面具有肖特基结或异质结，多个纳米线相互交错设于宽禁带半导体纳米线层内，所述宽禁带半导体纳米线层设于衬底电极和顶部电极之间，所述同位素辐射源设于宽禁带半导体纳米线层内和/或宽禁带半导体纳米线层与顶部电极之间。

本发明所述无序排列的宽禁带半导体纳米线的同位素电池使用的能量转换材料为宽禁带半导体晶态纳米线。宽禁带半导体具有密度大、抗辐射损伤能力强的特点，用其制备的同位素电池输出电压高，因此具有更高的能量转换效率和器件稳定性。而纳米线半导体材料的制备方法简单且多样，容易和放射源物质集成，能更有效分离电子和空穴，减少电子空穴对的重新复合，从而提高转化率。

本发明所述无序排列的宽禁带半导体纳米线的同位素电池是一种三明治结构，宽禁带半导体纳米线为通过物理或化学方法制备的相互交错的纳米线群体，并通过物理或化学方法使异质材料与纳米线进行有效的表面复合形成肖特基结或异质结，肖特基结或异质结可以提高辐射源辐射产生的电子空穴对分离和转移的效率，减小载流子复合率，有效提高电池的能量转换效率。