[发明专利]一种基于β辐射伏特效应GaAs基同位素电池

说明书

本发明实施例中提供的一种基于β辐射伏特效应砷化镓GaAs基同位素电池，包括GaAs基换能单元、设置于所述GaAs基换能单元上的辐致发光材料层、设置于所述辐致发光材料层上的β辐射同位素源，通过采用含有电子/空穴传输层的GaAs基换能单元结构，增强辐生电子‑空穴对的输运与收集，提出GaAs基辐致伏特/光伏双重效应同位素电池结构，解决半导体材料的辐照损伤问题，实现辐生/光生电子空穴对的高效利用，提高电池器件输出性能。

技术领域

本发明涉及微机电系统中能源领域，特别涉及一种基于β辐射伏特效应GaAs基同位素电池。

背景技术

放射性同位素电池在航空航天、国防军事、深海极地探测和医疗安全等领域具有重要应用，是备受关注的核心电池技术之一。其最大的特点和优势是寿命长，根据放射源半衰期不同，可工作几年、几十年、甚至上百年。同时它具有不受环境干扰、稳定可靠、无需人工干预、能量密度高等特点，在一些极端条件(如极地、深海、荒漠、深空)和需要长期稳定供电的应用场合具有独特优势。

同位素电池按转换机制分为直接转换机制(如直接充电型和辐射伏特效应型等)和间接转换机制(如射线荧光伏特效应型和热离子发射型等)，其中，辐射伏特效应同位素电池，是利用半导体换能单元(p-n结、p-i-n结或肖特基结)内建电场分离辐生电子-空穴对，将放射性同位素源衰变释放的粒子能量转换为电能的装置，相较于其他机制的换能方式，具有转换效率高、结构紧凑、体积小、重量轻的独特优势。进一步，根据放射源出射粒子种类的不同，辐射伏特效应同位素电池分为α辐射伏特效应同位素电池和β辐射伏特效应同位素电池。其中，前者使用的α源出射粒子能量一般较高(约几兆电子伏特)，对半导体材料的辐照损伤严重，甚至与材料中的元素发生核反应，且α源普遍出射大量γ射线，不利于安全防护；而后者的安全系数更高、服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护且易于防护，更适合作为微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)、传感器系统、微电子系统等的高性能微型动力源，现已广泛应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器和微型电动机械等方面。

与传统Si材料相比，GaAs作为直接带隙的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，其禁带宽度大，热稳定性强，电子迁移率高，具有较强的抗辐照损伤能力；与其他宽禁带材料相比，GaAs材料具有较大的载流子扩散长度，其生长和制备工艺成熟，更易于得到高质量的晶体样品。因此，GaAs作为β辐射伏特效应同位素电池的半导体换能材料优势显著。

现有的β辐射伏特效应GaAs基同位素电池存在如下问题：(1)由于同位素源存在自吸收效应，其有限的出射功率会导致同位素电池的输出功率存在上限；(2)现有β辐射伏特效应同位素电池的结构多是基本的p-n结、p-i-n结和肖特基结，实际制备的器件载流子复合严重，对辐生电流的形成影响很大；(3)现阶段用于预测电池输出性能的理论模型做了大量的理想化近似和假设，与实际情况偏离较大，导致器件结构优化不理想，器件实验样品输出性能偏低。本发明的目的是克服以上缺点，研制高性能β辐射伏特效应GaAs基同位素电池；(4)现有β辐射伏特效应同位素电池多采用低能同位素源来减小辐照损伤，加上放射源的现实加工制造成本问题，严重制约了同位素电池的发展空间和应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种基于β辐射伏特效应砷化镓GaAs基同位素电池，提升同位素电池输出性能，具有重要科学意义和应用价值。

本发明提供了一种基于β辐射伏特效应砷化镓GaAs基同位素电池，包括GaAs基换能单元、设置于所述GaAs基换能单元上的辐致发光材料层、设置于所述辐致发光材料层上的β辐射同位素源；

所述GaAs基换能单元包括由下至上依次设置的N面电极、GaAs衬底层、缓冲层、背散层、基层、发射层、窗口层、帽子层和P面电极，所述辐致发光材料层设置在所述P面电极。

作为一种可选的方案，所述N面电极由钛、铂或金进行镀膜制成，所述N面电极大于100nm，镀膜工艺为磁控溅射或电子束蒸发工艺。