[实用新型]一种量子点贝塔伏特电池

说明书

本实用新型公开了一种量子点贝塔伏特电池，其包括置于底部电极(5)和顶部电极(1)之间的半导体纳米管阵列薄膜(4)，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层(7)，所述量子点层(7)上又涂有固态同位素辐射源层(3)，或者所述量子点层(7)所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。本实用新型向半导体纳米管中引入量子点，提高了贝塔伏特电池的短路电流和开路电压以及能量转换效率。

技术领域

本实用新型属于同位素电池领域，具体涉及一种量子点贝塔伏特电池。

背景技术

随着物联网技术的发展，能源供给装置的微型化、集成化成为微型传感系统发展中迫切需要解决的问题。同时，越来越多的微传感系统需要被置于特殊的环境下使用，如深海、深空、地下、极地、荒漠等。这些环境往往需要长寿命、免维护和高可靠的电源系统。目前传统的能源由于各自的缺点很难满足使用要求。例如，化学电池能量密度低，高低温性能不稳定，需要频繁地充电。微型燃料电池效率较高，但电池体积大，需要定期向电池内输入燃料。太阳能电池输出功率强度依赖于外部光照和电池板面积。因此，传统的电池并不适用于特殊环境下的电子设备的使用。

同位素电池是利用放射性同位素衰变释放的能量转换成电能的自主发电装置，具有能量密度高、寿命长、工作可靠、环境适应性强、无需维护等特点，目前已成为核能源研究的重要方向，其在医学、军事、航空、民用领域等有广阔的应用前景。

将同位素辐射衰变能转换为电能主要有4种转换机制：热电转换式、直接充电式、直接能量转换式、间接能量转换式。热电转换式同位素电池使用高能辐射源，使用成本高、难于微型化。直接充电式同位素电池电流很小，驱动能力极弱。间接转换式同位素电池转换效率普遍偏低(<1％)。直接能量转换式同位素电池(又称贝塔伏特电池或β伏特电池)利用贝塔伏特效应，通过收集低能β辐射粒子在半导体材料中激发出的电子和空穴，从而实现电流倍增，可极大地提高了电流密度和转换效率。β伏特同位素电池的能量转换效率随半导体材料禁带宽度的增加而提高，其最高理论的量转换效率可达到32％。虽然贝塔伏特电池有较高的理论能量转换效率，但目前技术实现的转化效率仍低于5％，远未达到工程应用的程度。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。

宽禁带半导体可增大贝塔伏特电池的开路电压，提高电池的输出功率。同时，宽禁带半导体有高的辐射损伤阈值，具有抗辐射损伤能力强的特点。纳米管/孔材料具有高的比表面积，可极大地提高辐射源与半导体材料的接触面积，从而提高贝塔伏特电池能量转换效率和输出功率。厦门大学的San等人利用宽禁带半导体TiO2三维纳米多孔阵列结构制备了镍-63(Ni-63)贝塔伏特电池，最大有效转化效率达到7.3％(Qiang Zhang,Ranbin Chen,Haisheng San,Guohua Liu,Kaiying Wang,“Betavoltaic effect in titanium dioxidenanotube arrays under build-in potential difference”,Journal of PowerSources,Vol.282:529-533,2015)。但该能量转换效率仍然偏低，人们迫切希望进一步提高能量转换效率。

实用新型内容

本实用新型第一方面提供了一种量子点贝塔伏特电池，其包括置于底部电极5和顶部电极1之间的半导体纳米管阵列薄膜4，所述半导体纳米管的管内壁上涂有量子点层7，所述量子点层7上又涂有固态同位素辐射源层3，或者所述量子点层7所围成的管状空间填充有气态或液态同位素辐射源。

优选地，所述固态同位素辐射源层3也可以充满所述量子点层7所围成的管状空间。

其中，所述半导体纳米管阵列薄膜4是由多个相互平行的纳米管并排排列而成。

其中，所述量子点层7和所述同位素辐射源层3为连续层或离散层或二者的组合。其可以是一层或多层。