[发明专利]基于63

说明书

基于⁶³NiO载流子传输层的异质结高效率核电池属于核能技术应用领域，解决了β辐射伏特效应核电池由于自吸收效应带来的不利影响，和核电池的能量转换效率低的问题。该核电池包括从下至上依次层叠的：蓝宝石衬底、非掺杂GaN缓冲层、P型GaN空穴收集层、P型⁶³NiO载流子传输层和N型ZnO电子收集层；⁶³NiO载流子传输层发射出的β粒子，通过辐射电离效应，产生空穴电子对，在内建电场的作用下，电子向N型ZnO电子收集层移动并被N型ZnO电子收集层收集，空穴向P型GaN空穴收集层移动并被P型GaN空穴收集层收集，形成电流。本发明抗辐射性能好、载流子迁移率高等优点以及自身的梯度组分能级结构，有利于载流子的输运，降低反向饱和电流，提高了核电池的能量转换效率。

技术领域

本发明属于核能技术应用领域，具体涉及基于⁶³NiO载流子传输层的异质结高效率核电池和制备方法。

背景技术

核电池是利用放射性同位素衰变放出载能粒子并将其能量转换为电能的装置。近年来，随着微机电系统的发展，β辐射伏特效应核电池得到了广泛关注。

在β辐射伏特效应核电池中，常用的放射源主要有³H、⁶³Ni、¹⁴⁷Pm、⁸⁵Kr、⁹⁰Sr/⁹⁰Y等，³H源因其放射出的β粒子比较温和，不会对Si、Ge等半导体器件造成位移损伤，而受到广泛关注。然而，³H源的功率密度较低，由于自吸收效率的影响，导致核电池的能量转换效率和功率都比较低。¹⁴⁷Pm源和⁸⁵Kr源应用在早期的β核电池中获得了更高的效率，但由于相对较短的半衰期和不利于存储的气态形式，影响了核电池的应用领域。⁹⁰Sr/⁹⁰Y放射源的功率密度相当高，同时，⁹⁰Sr是乏核燃料和放射性废物中非常丰富的成分，因此，⁹⁰Sr的价格相对较低。然而，一方面，⁹⁰Sr/⁹⁰Y高能β粒子会对半导体产生严重的位移损伤；另一方面，这种高能β粒子很难在换能器件中有效吸收。即使通过结合光伏机制，利用闪烁体作为放射源和换能器件的中间层，核电池的能量转换效率也会变得更低。⁶³Ni的半衰期约为100年，它的功率密度几乎是每居里³H的三倍，同时其出射的β粒子不足以在宽禁带半导体材料中造成位移损伤，因此，⁶³Ni在β核电池领域具有较大的应用前景。

宽带隙半导体具有抗辐射性能好、载流子迁移率高等优点，应用在β辐射伏特效应核电池中，取得了优异的效果。第三代半导体材料以GaN、ZnO、4H-SiC为代表，它们的禁带宽度分别为3.4eV、3.37eV、3.26eV。根据Shockley-Queisser极限理论，GaN和ZnO作为换能器件时，理论上的极限转换效率要高于4H-SiC。从现有的半导体制备工艺出发，ZnO很难实现高浓度P型掺杂。但是由于GaN和ZnO具有相似的晶体结构和电子特性，而且Mg掺杂的P型GaN已能制备。因此，在β辐射伏特效应核电池中，同时利用P型GaN和N型ZnO不失为一种很好的方向。

⁶³Ni是长半衰期低能β放射性核素，传统制备⁶³Ni源的方法是电镀，将³Ni以金属的形式沉积在源底片上。现有技术中，核电池器件通常使用⁶³Ni源在外部辐照半导体换能器件，由于⁶³Ni源自吸收效应的存在，导致核电池器件的能量转换效率低，无法实现核电池技术指标要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于⁶³NiO载流子传输层的异质结高效率核电池和制备方法，从根本上解决了β辐射伏特效应核电池由于自吸收效应带来的不利影响，同时解决核电池的能量转换效率低的问题。