一种基于纳米微球涂层的荧光增强型辐致光伏效应同位素电池设计制备

技术领域

本发明涉及辐致光伏效应同位素电池技术领域，具体地，涉及一种增强辐致荧光强度的荧光材料以及同位素电池。

背景技术

放射性同位素电池是一种将放射源项的辐射能转换为电能的器件装置，具有能量密度高、使用寿命长、稳定性好等优点，可在黑暗、严寒以及深空、极地等边远无人维护的环境下长期稳定工作，被视为深空探测、极地探索等前沿领域电子元器件的重要电力供应方案。

辐致光伏效应同位素电池是一种间接换能同位素电池类型，主要由放射源、荧光层、半导体光伏组件三大部件组成，其工作原理为放射性同位素源释放出的辐射粒子先与荧光层发生相互作用产生辐致荧光光子，辐致荧光光子再通过半导体光伏组件的光生伏特效应将光能转换成电能输出，如图1所示。相比直接换能类型同位素电池，辐致光伏效应同位素电池能够有效减轻半导体光伏组件的辐照损伤，延长器件的使用寿命。

目前，辐致光伏效应同位素电池主要涉及荧光材料的选取，即选取发光性能优异的荧光材料作为荧光层材料，这使得同位素电池的性能严重依赖于荧光材料本身。

实际上，受制备方法、自身结构所限，通过选取发光性能优异的荧光材料这一方法无法使同位素电池的性能进一步提升。

发明内容

针对当前辐致光伏同位素电池性能提升研究存在的片面化问题，本专利综合考虑荧光材料选取、荧光层制备方法及其结构设计等因素，提出一种用于辐致光伏效应同位素电池的荧光材料，即通过利用SiO

具体地，本发明所述荧光材料，包括基底，ZnS:Cu荧光粉，纳米微球涂层。

进一步地，所述纳米微球涂层选自SiO

进一步地，所述纳米微球粒径为300-500nm，优选370-500nm，更优选425-475nm。

进一步地，所述基底选自玻璃基底。

进一步地，所述荧光材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将氨水和去离子水混合加热，再将无水乙醇和正硅酸四乙酯混合并超声处理，随即加入氨水去离子水混合物中，并搅拌，最后溶液经离心、洗涤和干燥步骤，即可得到SiO

2)将制备好的SiO

3)将二甲苯和聚苯乙烯混合，搅拌后得到粘结剂，再将ZnS:Cu荧光粉与粘结剂混合搅拌；

4)将混合好的荧光粉、粘结剂溶液滴加在SiO

进一步地，所述荧光材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将3.5mL氨水(25％，AR)和1.5mL去离子水混合加热至303K，再将5mL无水乙醇(99.7％，AR)和2.4mL正硅酸四乙酯(99％，GC)混合并超声处理30min，随即加入氨水去离子水混合物中，并在303K的温度下搅拌12小时，最后溶液经离心、洗涤和干燥步骤，即可得到SiO

2)将制备好的SiO

3)将二甲苯和聚苯乙烯(PS)按照2.5mL:1g的比例混合，在323K的温度下搅拌12h得到粘结剂，再将ZnS:Cu荧光粉与粘结剂按照质量比为1：2的比例混合搅拌30min；

4)将混合好的荧光粉、粘结剂溶液滴加在SiO

本发明还提出了如前任一所述荧光材料在制备辐致光伏效应同位素电池中的应用。

本发明还提出了包括如前任一所述的荧光材料的同位素电池。

进一步地，所述同位素电池还包括放射源、半导体光伏组件。

可选地，所述放射源选自X射线装置，所述半导体光伏组件选自AlGaInP光伏组件。

本专利提出的用于辐致光伏效应同位素电池荧光层辐致荧光增强的SiO

附图说明

图1是辐致光伏效应同位素电池的工作原理示意图；

图2是含SiO

图3是有无SiO

图4是不同质量浓度(0.5wt％、1wt％、2wt％和4wt％)所制备的SiO

图5是基于不同浓度的SiO

图6是基于不同SiO

图7是SiO

图8是基于SiO

图9是有无SiO

具体实施方式

目前辐致光伏效应同位素电池电学性能提升研究包括射源项优化、电池整体结构设计改善等方面。如：Bailey等人利用0.5mCi的

以下将结合具体实验的内容进行具体描述。

以下实验如未注明具体条件者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用原料药或辅料，以及所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。除非另外说明，否则所有的百分数、比率、比例或份数按重量计。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用与本发明。

实施例1

荧光层的具体制备过程如图2所示，主要分为以下几个步骤：

将3.5mL氨水(25％，AR)和1.5mL去离子水混合加热至303K，再将5mL无水乙醇(99.7％，AR)和2.4mL正硅酸四乙酯(99％，GC)混合并超声处理30min，随即加入氨水去离子水混合物中，并在303K的温度下搅拌12小时，最后溶液经离心、洗涤和干燥步骤，即可得到SiO

将制备好的SiO

将二甲苯和聚苯乙烯(PS)按照2.5mL:1g的比例混合，在323K的温度下搅拌12h得到粘结剂，再将ZnS:Cu荧光粉与粘结剂按照质量比为1:2的比例混合搅拌30min；

将混合好的荧光粉、粘结剂溶液滴加在SiO

在X射线装置的管电压为60kV、管电流为0.8mA发出的X射线激发下，使用美国安捷伦公司的荧光分光光度计(Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer)对荧光层进行了辐致荧光光谱测量，发射光谱的测试带宽狭缝宽度设定为2.5nm。测试结果表明:该方法制备得到的添加SiO

实施例2

在过去的实验中，往往发现很多材料无法用于荧光材料辐致荧光强度增强，原因在于没能考虑纳米微球涂层在辐射环境下的稳定性能，即纳米微球涂层需具有良好的耐辐照性能，这也是限制其用于荧光材料辐致荧光光增强的主要障碍。

前期实验筛选中发现，相较于Si、Ge等可发生米氏共振效应的亚波长高折射率电介质纳米粒子，SiO

本实施例通过实验确定纳米微球涂层中SiO

为进一步确定SiO

实施例3

本实施例基于SiO

实验时将X射线装置的管电压设定为60kV、管电流设定为0.8mA，射线出射方向正对荧光层，荧光层紧贴于AlGaInP光伏组件表面，使用双通道数字源表(Keithley 2636)获取光伏组件的伏安特性曲线。测试结果表明：添加有SiO

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。