一种硅基叠层结构辐射伏特式同位素电池

技术领域

本发明属于同位素电池领域，涉及一种辐射伏特式同位素电池，尤其涉及一种硅基叠层结构辐射伏特式同位素电池。

背景技术

辐射伏特式同位素电池是利用换能器件将放射性同位素衰变时释放出射线的能量转换成电能的一种新型电池，与传统电池相比，具有持续自供电、长寿命、高能量密度、工作稳定性好、无需维护以及微型化等优点，在军事国防、极端环境探测、物联网及生物医疗等重要领域有着关键应用价值。

传统辐射伏特式同位素电池多为平面结构设计，由一个简单的两层结构组成，同位素源附着在半导体换能器件的一侧，常通过增加源的厚度和优化换能器件的掺杂，以提高电池的输出功率。然而，这种传统的双层结构只利用了同位素源的一面，很难显著提高电池性能；且由于同位素源的自吸收作用，增加源的厚度会降低电池转换效率。有文献(Nuclear Engineering and Technology,2019,518:1978-1982)公布了由多个电池单元串并联方式来制备的硅基

可见，现有的平面结构同位素电池输出功率和转化效率都比较低，实验测试最大输出功率密度最大在百nW/cm

与传统的平面放射源加载结构相比，在相同器件体积下，采用超薄叠层结构实现放射源的立体加载可以显著提高电池的能量转换效率和输出功率。有文献(AIPAdvances,2019,9:075124.)通过模拟计算发现采用1μm厚双面薄膜型

基于当前的半导体工艺水平，SiC半导体可减薄至30μm(Precision Engineering,2022,74:209-223.)；相较之下，单晶硅材料可减薄至4μm以下(2014Symposium on VLSITechnology:Digest of Technical Papers,2014:1-2.)，而且制备工艺相对成熟，更易制备成超薄结构，从而实现更高的功率密度。因此，本发明选取硅作为半导体材料以实现超薄叠层结构辐射伏特电池的制备，能够在很大程度上解决目前辐射伏特同位素电池能量转换效率偏低、功率密度偏小和工艺实现难度大等技术难题，将会进一步拓展辐射伏特同位素电池的应用领域。

发明内容

本发明是一种基于

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种硅基叠层结构辐射伏特式同位素电池，包括硅换能元件、同位素源和电极单元。1个所述同位素源2夹在对称的2个所述硅换能元件1中间，电极单元3位于硅换能元件1的上下两侧用于引出生成电流，2个硅换能元件1、1个同位素源2和2个电极单元3组成一个三明治结构的基本单元A；多个三明治结构的基本单元A通过串联或并联的方式构成叠层结构辐射伏特式同位素电池。

进一步的，所述硅换能元件采用PN结型或PIN结型结构，所述同位素源夹在所述硅换能元件中间，所述电极处于硅换能元件上下两侧。2个硅换能元件部件、1个同位素源部件和2个电极部件共同组成一个三明治结构器件-源-器件的基本单元，1个以上所述基本单元连接成所述的叠层结构辐射伏特式同位素电池。

进一步的，硅换能元件的厚度为1μm～30μm。例如，硅换能元件的厚度为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm或30μm。

进一步的，所述同位素源2的厚度为0.1μm～5μm。例如，所述同位素源2的厚度为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.4μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm、3μm、3.2μm、3.4μm、3.6μm、3.8μm、4.0μm、4.2μm、4.4μm、4.6μm、4.8μm或5μm。

进一步的，所述同位素源2为无基底材料的自支撑结构，所述同位素源2为氚化钛或含有氚的化合物或混合物，或者为

进一步的，所述电极单元3包括发射极31和收集极32。所述发射极31和收集极32分别位于硅换能元件1的上下两侧。

进一步的，所述发射极31材料为Ni、Ti和Al中的任意一种或者两种以上的按任意比例混合的混合物，或者为Ti、Ni和Al的复合组合层，或者其他可与半导体形成欧姆接触的导电材料，或者这些材料的复合组合层。所述发射极31)的厚度范围为20nm～200nm。例如，所述发射极31的厚度为20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm。

所述收集极32材料为Ti、Pd和Au中的任意一种或者两种以上的按任意比例混合的混合物，或者为Ti、Pd和Au的复合组合层，或者其他可与半导体形成欧姆接触的导电材料，或者这些材料的复合组合层。所述收集极32的厚度范围为20nm～200nm。例如，所述发射极32的厚度为20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm。

所述叠层结构的三明治结构器件-源-器件基本单元个数为1个及以上，且上下底面均为所述收集极。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过三维立体叠层结构加载的同位素源衰变放射出的β粒子，入射到上下多层硅材料换能器件中，激发或电离产生电子-空穴对，电子和空穴在换能器件内建电场的作用下实现分离，分别向收集极电极和发射极电极运动，在发射极和收集极之间加负载后形成回路进而产生电流。

本发明能最大限度增加同位素源和换能元件接触面积，增加同位素源加载量，同时减小同位素源的自吸收效应，且

本发明的同位素源加载在对称的两层换能元件之间，源的上下两面发射出的射线能量几乎全被叠层换能器件吸收，通过调节适当的源厚度、换能器件厚度及叠层结构的层数，能够大幅降低自吸收效应、提升源加载量、最大限度地利用射线能量及大幅提升输出功率密度，从而解决传统平面结构只能利用同位素源的一面且难以显著提高电池性能所导致的输出功率和转化效率较低的难题。

氚、

本发明结构简单，而且换能单元材料硅的微加工技术成熟，容易减薄加工成所需结构，可以制成适应能力强、长寿命稳定工作的电源装置。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的硅基超薄叠层结构辐射伏特式同位素电池的结构示意图。

附图标记说明：1-硅换能元件，11-硅换能元件第一层，12-硅换能元件第二层，13-硅换能元件第三层；2-同位素源；3-电极单元，31-发射极，32-收集极；A-三明治结构器件-源-器件)基本单元，B-叠层结构电池模块。其中PN结型结构硅换能元件的第一层11及第二层12分别为P型或N型Si，和N型或P型Si；PIN结型结构硅换能元件的第一层11、第二层12和第三层13，分别为P型或N型Si、I型Si和N型或P型Si。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。需要说明，若发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。

另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。参见图1。

本发明提供的硅基超薄叠层结构辐射伏特式同位素电池包括呈超薄叠层结构的硅换能元件、同位素源和电极。所述硅换能元件采用PN结型或PIN结型结构，所述同位素源夹在对称的2个所述硅换能元件中间，电极单元位于硅换能元件的上下两侧用于引出生成电流；2个硅换能元件、1个同位素源和2个电极单元组成一个三明治结构基本单元；1个及以上三明治结构基本单元通过串联或并联的方式构成叠层结构电池模块B，所述叠层结构电池模块B为叠层结构辐射伏特式同位素电池模块。电极单元3包括电极单元发射极31和电极单元收集极32。所述发射极31和收集极32分别位于硅换能元件1的上下两侧。优选地，所述三明治结构基本单元的上下底面均为所述收集极32。

图1为本发明实施例1的硅基超薄叠层结构辐射伏特式同位素电池的结构示意图。如图1所示，所述同位素电池包括硅换能元件1，硅换能元件第一层11，硅换能元件第二层12，硅换能元件第三层13；同位素源2；电极单元3，电极单元发射极31，电极单元收集极32；三明治结构器件-源-器件)基本单元A，叠层结构电池模块B。所述硅换能元件1采用PN结型或PIN结型结构。电极单元3包括电极单元发射极31和电极单元收集极32。

所述硅换能元件硅换能元件1的厚度为1μm～30μm；优选地，所述硅换能元件硅换能元件1的厚度为1μm～20μm。

所述同位素源2为无基底材料的自支撑结构。所述同位素源2为氚化钛或含有氚的化合物或混合物。可选地，所述同位素源2为

所述同位素源2厚度为0.1μm～5μm。

所述发射极31和所述收集极32均为栅型结构。所述发射极31的厚度为20nm～200nm。优选地，所述收集极32的厚度为20nm～200nm。

在本发明的一个实施例中，所述硅换能元件1采用PN结型。所述硅换能元件1包括依次叠放的硅换能元件第一层11和硅换能元件第二层12。硅换能元件第一层11上设置有电极单元发射极31，硅换能元件第二层12上设置有电极单元收集极32。其中PN结型结构硅换能元件第一层11为P型Si，硅换能元件第二层12为N型Si。可选地，PN结型结构硅换能元件的第一层11为N型Si，硅换能元件第二层12为P型Si。

在本发明的一个实施例中，所述硅换能元件采用PIN结型结构。所述硅换能元件1包括依次叠放的硅换能元件第一层11、硅换能元件第二层12和硅换能元件第三层13，硅换能元件第一层11上设置有电极单元发射极31，硅换能元件第三层13上设置有电极单元收集极32。PIN结型结构硅换能元件第一层11为P型Si，硅换能元件第二层12为I型Si，硅换能元件第三层13为N型Si。可选地，PIN结型结构硅换能元件第一层11为N型Si，硅换能元件第二层12为I型Si，硅换能元件第三层13为P型Si。

可选地，其中PN结型结构硅换能元件的第一层11及第二层12分别为P型或N型Si，和N型或P型Si。可选地，PIN结型结构硅换能元件的第一层11、第二层12和第三层13，分别为P型或N型Si、I型Si和N型或P型Si。

本发明同位素电池产品可作为微型独立电源，用于更换或维护成本高、需要数年的工作寿命、或有需要集成特点的物联网电子器件领域，包括压力/温度传感器、智能传感器、半被动和主动射频识别芯片、硅时钟、内存备份芯片、深海油井传感器、低功耗处理器等。本发明同位素电池产品也可以通过组合二级薄膜电池或电容器等类似设备，为负载提供脉冲型高功率输出，来进一步拓展应用范围，例如可用于海洋学和海洋工程测量、水下监测、海下声纳等，提供海底定位、状态监测、信息交流等服务。

实施例1

硅换能元件1采用结构为PN结类型。其中，硅基底片选用美国University Wafer生产的厚度5微米、直径2英寸、掺杂磷元素的超薄N型硅衬底片。首先，将超薄N型硅衬底片按照标准RCA流程进行清洗，分别去除衬底片上的有机物、金属和SiO

发射极31和收集极32的电极均采用栅型结构，发射极31使用镍金属，收集极32使用金材料。在硅PN结样品P型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司制备的RH400真空磁控溅射镀膜机的腔室中，采用高纯镍靶4N进行镍电极制备，制备获得镍层厚度约为100nm，镍电极作为发射极31。发射极制备完成之后，在硅PN结样品N型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在鑫镭真空技术有限公司生产的SRT-300型电阻热蒸发镀膜仪腔室中，采用高纯金靶4N进行P型电极制备，制备金层电极厚度约为50nm，金层电极作为收集极32。P型电极制备完成之后，先将样品分别用丙酮和酒精溶液浸泡处理，除去表面可能的污染。然后利用氮气进行吹干后，放进合肥科晶材料有限公司生产的快速升温管式炉OTF-1200X-4-RTP中，升温到850℃，保温5min，随后迅速降至室温，并取出样品。

利用北京中电科电子装备有限公司生产的JHQ-410激光划片机将晶片按照预先设计，切割为有效面积1cm×1cm的基本单元。将切割好的样品按照标准RCA流程进行清洗后，放入苏州格瑞达电子设备有限公司生产的全自动氮气防潮组合柜GRD240CNF-2中备用。

同位素源2使用

A：选用铜箔压延无氧铜，厚度0.05mm，纯度99.95％，表面抛光作为衬底材料，采用化学气相沉积法CVD首先生长制备石墨烯层，其中石墨烯层总层数10层，总厚度约为4nm；

B：采用电镀的方法，在步骤A中得到的含石墨烯的铜衬底材料之上，继续沉积制备亚

C：将步骤B中沉积有

D：将步骤C中衬底溶解后的由石墨烯层和亚微米级放射性薄膜组成的材料打捞起来，放入去离子水稀释了5倍的三氯醋酸铵溶解液中漂洗2次后再置于去离子水中漂洗，晾干后，得到无衬底的自支撑

利用深圳市开玖自动化设备有限公司生产的K950全自动光模块焊线机，从如前所述的待用硅换能元件收集极和发射极上分别键合引线。将2个键合引线后的硅换能元件与如前所述的待用

利用吉时利公司生产的Keithley 4200A-SCS参数分析仪，对1个电池基本单元进行性能测试，获得开路电压约0.6V，短路电路约500nA，最大输出功率约250nW。对应能量转换效率约为3.5％，功率密度约400μW/cm

实施例2

硅换能元件1采用结构为PN结类型。其中，硅基底片选用美国University Wafer生产的厚度10微米、直径4英寸、掺杂磷元素的超薄N型硅衬底片。首先，将超薄N型硅衬底片按照标准RCA流程进行清洗，分别去除衬底片上的有机物、金属和SiO

发射极和收集极的电极均采用栅型结构，发射极31使用镍金属，收集极32使用金材料。在硅PN结样品P型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司制备的RH400真空磁控溅射镀膜机的腔室中，采用高纯镍靶(4N)进行镍电极制备，制备获得镍层厚度约为150nm，镍电极作为发射极31。发射极制备完成之后，在硅PN结样品N型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在鑫镭真空技术有限公司生产的SRT-300型电阻热蒸发镀膜仪腔室中，采用高纯金靶4N进行P型电极制备，制备金层电极厚度约为100nm，金层电极作为收集极32。P型电极制备完成之后，先将样品分别用丙酮和酒精溶液浸泡处理，除去表面可能的污染。然后利用氮气进行吹干后，放进合肥科晶材料有限公司生产的快速升温管式炉OTF-1200X-4-RTP中，升温到850℃，保温5min，随后迅速降至室温，并取出样品。

利用北京中电科电子装备有限公司生产的JHQ-410激光划片机将晶片按照预先设计，切割为有效面积1cm×1cm的基本单元。将切割好的样品按照标准RCA流程进行清洗后，放入苏州格瑞达电子设备有限公司生产的全自动氮气防潮组合柜GRD240CNF-2中备用。

同位素源2使用

A：选用铝箔厚度0.05mm，纯度大于99.9％，表面抛光作为衬底材料，采用化学气相沉积法CVD首先生长制备石墨烯层，其中石墨烯层总层数10层，总厚度约为4nm；

B：采用电镀的方法，在步骤A中得到的含石墨烯的铜衬底材料之上，继续沉积制备亚

C：将步骤B中沉积有

D：将步骤C中衬底溶解后的由石墨烯层和亚微米级放射性薄膜组成的材料打捞起来，放入去离子水稀释了10倍的氢氧化钠溶解液中漂洗1次后再置于去离子水中漂洗，晾干后，得到无衬底的自支撑

E：将预先准备的

利用深圳市开玖自动化设备有限公司生产的K950全自动光模块焊线机，从如前所述的待用硅换能元件收集极和发射极上分别键合引线。将2个键合引线后的硅换能元件与如前所述的待用

利用吉时利公司生产的Keithley 4200A-SCS参数分析仪，对1个电池基本单元进行性能测试，获得开路电压约0.7V，短路电路约1.6μA，最大输出功率约0.95μW。对应能量转换效率约为5％，功率密度约500μW/cm

实施例3

硅换能元件1采用结构为PN结类型。其中，硅基底片选用美国University Wafer生产的厚度5微米、直径2英寸、掺杂磷元素的超薄N型硅衬底片。首先，将超薄N型硅衬底片按照标准RCA流程进行清洗，分别去除衬底片上的有机物、金属和SiO

发射极31和收集极32的电极均采用栅型结构，发射极31使用镍金属，收集极32使用金材料。在硅PN结样品P型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司制备的RH400真空磁控溅射镀膜机的腔室中，采用高纯镍靶4N)进行镍电极制备，制备获得镍层厚度约为70nm，镍电极作为发射极31。发射极制备完成之后，在硅PN结样品N型区表面安置预先制备的栅形结构掩模版，放置在鑫镭真空技术有限公司生产的SRT-300型电阻热蒸发镀膜仪腔室中，采用高纯金靶4N)进行P型电极制备，制备金层电极厚度约为40nm，金层电极作为收集极32。P型电极制备完成之后，先将样品分别用丙酮和酒精溶液浸泡处理，除去表面可能的污染。然后利用氮气进行吹干后，放进合肥科晶材料有限公司生产的快速升温管式炉OTF-1200X-4-RTP中，升温到850℃，保温4min，随后迅速降至室温，并取出样品。

利用北京中电科电子装备有限公司生产的JHQ-410激光划片机将晶片按照预先设计，切割为有效面积1cm×1cm的基本单元。将切割好的样品按照标准RCA流程进行清洗后，放入苏州格瑞达电子设备有限公司生产的全自动氮气防潮组合柜GRD240CNF-2中备用。

同位素源2使用氚化钛源，结构为无基底材料的自支撑结构，其基本制备流程如下A、B、C、D四个部分所述。

A：将经过表面处理的高纯钼(3N)衬底放置在中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司制备的RH400真空磁控溅射镀膜机的腔室中，采用高纯氯化钠靶(2N)进行首先均匀沉积约几十纳米的氯化钠过渡层，然后更换高纯钛靶(3N)将纯度99.9％的高纯钛沉积钛膜。镀钛膜时系统真空度约为10

B：利用由真空系统、程序控温加热系统、反应腔室、尾气回收系统和辐射监测系统组成的吸氚装置平台，进行吸氚操作。首先将A步骤中制备获得的钛膜样品放置于靶架上，在完成开机安全检查后，抽真空至反应腔和储气腔的真空度优于5.0×10

C：待吸氚完成后，关闭恒压系统及氚气瓶总阀，记录吸氘结束后储气腔的压力；最后关闭加热系统衬底降至室温，冷却8小时，取出靶片，吸氚实验完成，获得氚化钛样品。其中样品中氚钛化学组分比约为3:2。将如上获得的氚化钛样品，放入苏州格瑞达电子设备有限公司生产的全自动氮气防潮组合柜GRD240CNF-2中待用。

利用深圳市开玖自动化设备有限公司生产的K950全自动光模块焊线机，从如前所述的待用硅换能元件收集极和发射极上分别键合引线。将2个键合引线后的硅换能元件与如前所述的待用氚化钛放射性薄膜源，按照三明治结构器件-源-器件)组合，获得本发明所述的同位素电池基本单元A。其中，电池基本单元厚度约5μm。

利用吉时利公司生产的Keithley 4200A-SCS参数分析仪，对1个电池基本单元进行性能测试，获得开路电压约0.65V，短路电路约800nA，最大输出功率约400nW。对应能量转换效率约为5％，功率密度约800μW/cm

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。