一种耦合碳14与氚放射源的同位素电池

技术领域

本发明涉及放射性同位素电池电池，特别是涉及一种耦合碳14与氚放射源的同位素电池。

背景技术

辐射伏特效应同位素电池(RIVB，Radiation-voltaic Isotope Battery)是一种利用β粒子在半导体内产生电子-空穴对，由于半导体内的自建电场，将其分离收集，形成电流和电压的电源。其优势在于：长寿命、性能可靠、可微型化，可在恶劣或极端环境(如深空、深海、极地冰川、沙漠、地下、人体等)工作。因此RIVB在物联网、芯片、生物医疗、微机电系统(MEMS)等领域具有潜在的较大应用前景。

现有技术中，由于高活度放射源加载困难，放射源释放的粒子的能量不能很好地被半导体换能器件利用。因此辐射伏特效应同位素电池的输出功率很低(nW-uW级别)，能量转换效率也较低(0.01％-3％)，导致单片电池不能产生宏观的功率输出，影响了辐射伏特效应同位素电池的推广使用。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种提升辐射伏特效应同位素电池的输出功率以及能量转换效率。

本发明的一个进一步目的是提高电池功率密度。

本发明的另一进一步目的是增加能量转换效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种耦合碳14与氚放射源的同位素电池，其包括：

辐射金刚石半导体换能器件，由碳14合成，其释放出的贝塔射线(β-射线)与自身金刚石晶格作用，产生电子空穴对；

储氢金属，设置于同位素电池辐射金刚石半导体换能器件的两侧，其内部储氚，外表面沉积阻氚涂层。

可选地，储氢金属包括：

正电极端储氢金属，设置于辐射金刚石半导体换能器件的P层的外侧；

负电极端储氢金属，设置于辐射金刚石半导体换能器件的N层的外侧。

可选地，正电极端储氢金属、负电极端储氢金属与辐射金刚石半导体换能器件通过机械压实贴合。

可选地，储氢金属直接制备在辐射金刚石半导体换能器件外延片的重掺杂区表面上，并且厚度小于或等于500μm。

可选地，储氢金属的材料为以下任一种：钛、钪、镁、锆、镍、铝、稀土元素及其合金，厚度小于或等于300nm。

可选地，储氢金属由金属粉末压制烧结而成。

可选地，储氢金属的氚活度配置为1Ci～100Ci，氚与金属原子比为大于或等于1.5。

可选地，辐射金刚石半导体换能器件的厚度小于或等于1cm。

可选地，多层辐射金刚石半导体换能器件以及储氢金属依次堆叠设置。

可选地，位于最外层的储氢金属作为耦合碳14与氚放射源的同位素电池的正负电极。

本发明的耦合碳14与氚放射源的同位素电池，由碳14合成的辐射金刚石半导体换能器件，与氚放射源的放射类型一致，均释放贝塔射线，实现放射源与半导体换能器件较好的耦合。放射源释放的粒子的能量很好地被半导体换能器件利用，提高了辐射伏特效应同位素电池的输出功率。

进一步地，本发明的耦合碳14与氚放射源的同位素电池，储氢金属相比于普通电极，降低氢脆而不降低导电性，与半导体换能器件直接接触，减少了贝塔能量的非电学损耗，两者直接接触也增加了能量转换效率。另外，放射源与半导体换能器件、电极通过化学方式混合减少了电池厚度和体积。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池的示意图；

图2是根据本发明另一实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池中正电极的示意图；以及

图4是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池中负电极的示意图。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，该一部分实施例旨在用于解释本发明的技术原理，并非用于限制本发明的保护范围。基于本发明提供的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所获得的其它所有实施例，仍应落入到本发明的保护范围之内。

本实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池可以设置为单片电池或者堆叠电池，属于一种辐射伏特效应同位素电池。也即耦合碳14与氚放射源的同位素电池可以包括一层单片电池或者由多层单片电池堆叠形成。

图1是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池1的示意图；该耦合碳14与氚放射源的同位素电池为单片电池，其可以包括：辐射金刚石半导体换能器件20以及储氢金属10。

辐射金刚石半导体换能器件20可由碳14合成，其释放出的贝塔射线(β射线)与自身金刚石晶格作用，产生电子空穴对；这些载流子在金刚石换能结内建电场的作用下转化为电流。

储氢金属10设置于辐射金刚石半导体换能器件20的两侧，其内部储氚，外表面沉积阻氚涂层。阻氚涂层避免储氢金属10内部氚渗透损失。储氢金属10用作电极。现有技术中的电极主要目的是增加导电性，由于金属电极存在氢脆效应，会尽量避免电极内含氢。相比较地，本实施例的同位素电池1选用储氢金属，作为电极，在不降低导电性能的情况下，可以具有很好的吸氚释氚循环稳定性。

为了进一步缓解电极加氚后的氢脆问题，电极由金属粉末压制烧结而成，在电极外表面沉积阻氚涂层。同位素电池1的输出功率主要取决于放射源的加载量，为了增加放射源的加载量，储氢金属10含有氚，同样释放出β射线，从而增加了表面功率。

储氢金属10可以包括：正电极端储氢金属11和负电极端储氢金属14。其中正电极端储氢金属11设置于辐射金刚石半导体换能器件20的P层22的外侧；而负电极端储氢金属14设置于辐射金刚石半导体换能器件20的N层23的外侧。正电极端储氢金属11、负电极端储氢金属14与辐射金刚石半导体换能器件20可以通过机械压实贴合。也即同位素电池1呈多层三明治结构，金刚石半导体换能器件20的P层22、N层23位于储氢金属10中间，通过机械压实贴合，制作成单片电池。

储氢金属10可以直接制备在辐射金刚石半导体换能器件10外延片的重掺杂区表面上，并且厚度小于或等于500μm。辐射金刚石半导体换能器件20的厚度小于或等于1cm。从而实现使得同位素电池1更加紧凑，减少整体厚度和体积。

储氢金属10的材料可以为以下任一种：钛、钪、镁、锆、镍、铝、稀土元素及其合金，厚度小于或等于300nm，特别地可以选用锆钒合金或钛合金，具有良好的吸氚性能，氚活度配置为为1Ci～100Ci，氚与金属原子比配置为不小于1.5，经过验证其效果能够更优。储氢金属10可由金属粉末压制烧结而成，外表面沉积阻氚涂层。

本实施例的同位素电池10由碳14合成的辐射金刚石半导体换能器件20，与氚放射源的放射类型一致，均释放贝塔射线，实现放射源与半导体换能器件20较好的耦合。放射源释放的粒子的能量很好地被半导体换能器件20利用，提高了耦合碳14与氚放射源的同位素电池10的输出功率。

图2是根据本发明另一实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池2的示意图；该同位素电池2中，多层辐射金刚石半导体换能器件20以及储氢金属10依次堆叠设置，也即具有多个辐射金刚石半导体换能器件20以及储氢金属10组成的单元。位于最外层的储氢金属(图2中示出的顶层以及底层)作为耦合碳14与氚放射源的同位素电池20的正电极15以及负电极16。同位素电池2通过机械压实贴合，制成堆叠电池。

图3是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池2中正电极15的示意图；图4是根据本发明一个实施例的耦合碳14与氚放射源的同位素电池2中负电极16的示意图。正电极15以及负电极16由金属粉末压制烧结而成，具有良好吸氚性能，氚活度可为1Ci～100Ci，氚与金属比不小于1.5，在外表面沉积阻氚涂层。正电极15以及负电极16的厚度可均不超过500μm，直接制备在辐射金刚石半导体换能器件20重掺杂区表面上。

耦合碳14与氚放射源的同位素电池2通过单片电池的多层堆叠，有效提升了输出功率。相对于普通电极，储氢金属电极15、16能降低氢脆而不降低导电性；同时含氚电极增加了放射源的加载量，可以进一步提高电池功率密度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。