[实用新型]一种三维纳米结构氚伏电池

说明书

一种三维纳米结构氚伏电池，涉及一种同位素电池。呈三明治结构，从上到下依次为：顶部电极、三维纳米结构半导体和底部电极；所述三维纳米结构半导体是由半导体材料构成的三维网格框架结构，网格框架之间设有孔道间隙，三维纳米结构半导体设于底部电极与顶部电极之间，三维纳米结构半导体为氚基同位素源集成的三维纳米结构半导体，所述氚基同位素源贮存于半导体网格框架之间孔道间隙中的氚化金属，或为氚与三维纳米结构半导体材料复合形成的氚化半导体，或为氚化金属与氚化半导体的共存结构；所述氚化金属与三维纳米结构半导体形成肖特基接触或欧姆接触，同时还与顶部电极或底部电极连接。

技术领域

本实用新型涉及一种同位素电池，尤其是涉及一种利用三维纳米结构半导体将同位素氚的贝塔辐射能直接转换为电能的一种三维纳米结构氚伏电池。

背景技术

深海、极地等极端地区具有环境恶劣、到达困难等问题。在这些地方，以前人类活动往往较少。近年来，这些地区由于内含资源丰富、地理位置重要、无所属划分等原因，世界上各国都大力开展相关研究工作。例如，通过建立深海观测网络，可对深海的温度、地貌、洋流等环境参数进行记录，进而绘制深海地图，这些深海地理数据参数具有极大的科学、经济和军事价值。这些地区都具有无人值守、维护不方便、环境苛刻等特点。因此，对建立在该地区的传感监测设备和无线通讯设备提出了长期免维护的要求。其中，能源系统是这些装备中对寿命和免维护要求最典型的设备。常规的太阳能、化学燃料能、海洋能、风能、温差能等供电方式由于受环境影响、定期维护和体积重量大等问题，无法满足传感器监测和通讯设备的供电需求，成为制约监测设备部署的瓶颈问题。为了解决装备中能源系统的“免维护”问题，近几年科研人员想到了“核能源”。核聚变和核裂变能产生巨大的能量，但装置都非常巨大和复杂，运行维护要求很高。然而，利用同位素衰变产生的辐射能制造的电池具有寿命长、不受环境影响、免维护等特点，是环境监测系统最理性的候选能源。

同位素电池有温差、热离子、直接充电、热机和辐射伏特效应等几种转换机制，考虑到小型化和能量转换效率，辐射伏特效应转换方式是理想的候选。辐射伏特效应电池是利用辐射粒子的动能与半导体结构作用直接产生电能，能量密度是锂电池的上万倍，电池理论效率可达30％。从同位素辐射源的使用上看，主要考虑三个因素：1)β粒子平均能量；2)同位素源半衰期；3)同位素来源和制造成本。由于半导体的辐射损伤阈值是250～300KeV，因此高辐射动能的β源，如氪-85、钌-106、锶-90等都会造成电池性能的衰减。考虑到电池寿命和平均能量，同位素源的半衰期必须超过5年，因此比较合适的同位素源是氚(平均能量＝5.7KeV，半衰期12.3年)和⁶³Ni(平均能量＝17.4KeV，半衰期100年)。由于⁶³Ni来源有限，价格非常昂贵，而氚的资源非常丰富，广泛存在于核反应堆废料和海洋中。因此，氚是制备产业化贝塔伏特电池最理想的同位素。由于商业化的氚原料通常以氚气的形式存在，如何将氚集成在半导体能量转换基质中是目前迫切需要解决的问题。

传统的贝塔伏特电池主要利用单晶半导体(如硅、金刚石、碳化硅和氮化镓等)制作平面型器件，通过在器件表面集成辐射源实现电池结构。这种结构的主要缺点是辐射源利用效率低，同时单位面积集成的有效辐射源数量有限。例如，俄罗斯莫斯科物理与技术研究所以金刚石为转换材料，以镍-63(⁶³Ni)为辐射源的贝塔伏特电池，电池输出功率可达μW级，续航达100年，但效率只有1.25％(文献：DiamondRelated Materials，vol.84,pp.41–47,2018)。美国City Labs公司目前已实现氚基贝塔伏特电池的商业化，使用砷化镓(GaAs)晶体为转换材料，将100居里的氚集成在器件表面并实现多片电池级联，电池输出功率可达100μW左右,但实际效率不到3％(https://citylabs.net/)。因此，如何提高贝塔伏特电池的能量转换效率是目前研究的当务之急。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种三维纳米结构氚伏电池。