长寿命α型光伏同位素电池的制作方法

长寿命
α
型光伏同位素电池
技术领域
1.本发明涉及一种同位素电池装置，具体涉及一种长寿命α型光伏同位素电池。


背景技术：

2.同位素电池是一种将放射性同位素的衰变能转化为电能的装置。高性能微型同位素电池是近年来国际上同位素电池研究的热点之一。它能够实现体积小、重量轻、能量密度大等特征，成为小功率、长寿命微型能源的理想之选，有望能够在无外界能量供给条件下对微机电系统或人造器官、心脏起搏器等实现长期稳定供电。微型同位素电池主要包括微型辐射伏特效应同位素电池和辐致光伏效应同位素电池(简称：光伏同位素电池)两类。微型同位素电池研究中，β型辐射伏特效应同位素电池发展较为成熟，各国先后已研制出商业化产品，但β型同位素电池存在能量转换效率和输出功率不理想且难以提升的问题，为此人们将研究方向转向了α型同位素电池的研究中。
3.α型光伏同位素电池是将放射性物质衰变释放的能量通过“α粒子动能
→
光能
→
电能”的方式转换为电能,并实现对外持续供电的微型装置。由于直接与α粒子作用的闪烁体材料相比于半导体换能单元具有更强的抗辐照性能，因此α型光伏同位素电池是实现长寿命的理想选择之一。
4.1990年美国桑迪亚国家实验室的walko等人总结近三十年α型光伏同位素电池的相关研究，认为zns闪烁体具有价格低、光产额高、耐辐照能力和环境稳定性强等优势，是光伏同位素电池荧光层的理想之选。同时当下技术最为成熟的硅光伏器件和砷化镓为代表的iii-v族光伏器件适用于同位素的光电转换器。随后更多种类的闪烁体材料(nai、csi、lyso等)与光伏器件(si、gaas、gap等)的组合被公开报道。2007年美国sychov等人公开报道了一种基于
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pu放射性核素，zns荧光层和algaas光伏器件的α型光伏同位素电池。电池有效面积为15cm2，在0.143mw/cm2的放射性核素输入功率条件下实现了21μw的输出功率和0.11％的能量转换效率，该电池成功启动了一部电子计算器。2012年师承prelas教授的weaver在他的博士论文中重点研究了基于稀有气体荧光层的α型光伏同位素电池，通过将0.8mci/cm2的
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po放射性核素置于高压荧光气体中，不但可以增大二者面积提高衰变能到高能的转换效率，还可以同时减弱放射性核素和荧光层中的能量自吸收损伤；在测试中选用硅基光伏器件作为光电转换器，获得了0.52％的能量转换效率；在经历五天的持续工作后α型光伏同位素电池的输出性能仅下降了20％，充分证明了α型光伏同位素电池抗辐照性能较好、有望实现长寿命；但就实际使用来讲，其依然存在能量转换效率较低以及输出功率较小的问题。研发长寿命、高能量转换效率及高输出功率的α型光伏同位素电池是同位素研究领域的热点和难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有α型光伏同位素电池技术中存在能量转换效率和输出功率较低的技术问题，而提供的一种长寿命α型光伏同位素电池，以实现高能量转换效率、长
寿命α型光伏同位素电池。
6.本发明的构思是：
7.钙钛矿闪烁体材料具有超强的发光强度、高发光效率，基于离子掺杂/双离子共掺杂的钙钛矿材料cs3cu2i5：tl材料可获得80000-97000光子/mev的超高发光强度，实验研究发现它具有强的抗辐照性能，利用它配合光电转换器，有望发展高能量转换效率、长寿命α型光伏同位素电池装置。
8.为解决上述技术问题，实现上述发明构思，本发明所采用的技术方案为：
9.一种长寿命α型光伏同位素电池，其特殊之处在于：包括封装壳体、设置于封装壳体内的放射性核素、cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体与光电转换器；
10.光电转换器与封装壳体上设置的正极与负极电连接；
11.cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体设置于放射性核素的次级辐射出射路径上，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体用于吸收放射性核素的次级辐射，并发出可见光；
12.光电转换器设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体的发光路线上，光电转换器用于吸收cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体发出的可见光，并将其转换为电能。
13.进一步地，所述放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体通过透明壳体封装在一起；
14.放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体为接触设置或者间隙设置。
15.进一步地，所述接触设置为贴和设置或者嵌套设置；
16.放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体均为长方体结构或者圆柱体结构。
17.进一步地，还包括设置于封装壳体内的光电转换器；
18.光电转换器通过电能收集器件与封装壳体上设置的正极与负极电连接，电能收集器件用于收集、存储光电转换器输出的电能以及为外部负载供电。
19.进一步地，所述放射性核素通过旋涂或沉积接触设置在cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体上，或者放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体为间隙设置，间隙小于等于5mm；
20.放射性核素为
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am2o3；
21.cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体采用cs3cu2i5:tl零维钙钛矿单晶或者毫米级单晶拼接的cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体；
22.光电转换器为cspbbr3器件。
23.同时，本发明还另外提供了一种长寿命α型光伏同位素电池，其特殊之处在于：包括封装壳体、设置于封装壳体内的放射性核素、cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体与两个光电转换器；
24.放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体设置在两个光电转换器之间；
25.两个光电转换器分别与封装壳体上设置的正极与负极电连接；
26.cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体设置于放射性核素的次级辐射出射路径上，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体用于吸收放射性核素的次级辐射，并发出可见光；
27.光电转换器设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体的发光路线上，光电转换器用于吸收cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体发出的可见光，并将其转换为电能。
28.进一步地，所述放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体通过透明壳体封装在一起；
29.放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体为接触设置或者间隙设置。
30.进一步地，所述接触设置为贴和设置或者嵌套设置；
31.放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体均为长方体结构或者圆柱体结构。
32.进一步地，还包括设置于封装壳体内的两个电能收集器件；
33.光电转换器分别通过电能收集器件与封装壳体上设置的正极与负极电连接，电能收集器件用于收集、存储光电转换器输出的电能以及为外部负载供电。
34.进一步地，所述放射性核素通过旋涂或沉积接触设置在cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体上，或者放射性核素与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体为间隙设置，所述间隙小于等于5mm；
35.放射性核素为
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am2o3；
36.cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体采用cs3cu2i5:tl零维钙钛矿单晶或者毫米级单晶拼接的cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体；
37.光电转换器为cspbbr3器件。
38.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
39.1、自给能。本发明不依赖于外部能量输入，利用电池内部的放射性核素衰变实现稳定能量供给。
40.2、长工作时间、长寿命。放射性核素的半衰期长至几百年，可为电池提供长期稳定的能量输入。cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体具有强的抗α粒子辐照特性，用于粒子动能
→
光能转换时可长时间稳定工作。在α粒子辐照剂量达1
×
10
15
cm-2
时，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体发光强度没有明显减弱。
41.3、小体积。本发明基于α型光伏同位素电池核心部分是放射性材料、辐射致发光材料和光电转换器，电池结构紧凑，最小尺寸可达1mm3。与传统温差效应同位素电池不同，不需要热屏蔽层、冷源等占用空间的设计。
42.4、高能量转换效率。选择高光产额的cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体可实现高效的“粒子动能
→
光能”转换，选择光电转换器，波长匹配、可实现“光能
→
电能”的高效转换。该电池结构，可实现＞0.6％的高能量转换效率。
43.5、该电池结构可实现高电池功率密度。由于单个电池单元结构紧凑，当选择多个电池单元叠加或者并联时，可获得高电池功率密度，当采用活度为1mci/cm2的同位素放射源条件下，电池功率密度可达百nw/cm2。
44.6、高温度适应性。cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体在高温下不易分解，通常光电转换器耐温可达85℃，在光电转换器选择cspbbr3器件时耐温性能更好，使得电池核心部分可耐受高温。高温环境下不会引起电池性能的永久损坏，恢复室温后，可继续正常工作。
45.7、低成本。本发明采用的cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体和cspbbr3器件，相对于传统的第三代半导体器件其造价较低，利于大规模应用。
46.8、结构简单。本发明电池为双电极结构，多单元叠加时对外电路要求较低。
47.9、全固态结构。cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体和cspbbr3器件均为固体结构，电池的尺寸小、结构稳定性较好。
附图说明
48.图1为本发明长寿命α型光伏同位素电池实施例一的结构示意图。
49.图2为本发明长寿命α型光伏同位素电池的工作原理图。
50.图3为本发明长寿命α型光伏同位素电池实施例二的结构示意图。
51.图4为本发明长寿命α型光伏同位素电池实施例三的结构示意图。
52.图5为本发明长寿命α型光伏同位素电池实施例四的结构示意图。
53.图中附图标记为：
54.1-放射性核素，2-cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体，3-光电转换器，4-电能收集器件，5-封装壳体。
具体实施方式
55.实施例一
56.如图1所示，本发明提供了一种长寿命α型光伏同位素电池，包括封装壳体5、设置于封装壳体5内的光电转换器3、放射性核素1、cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2、电能收集器件4；光电转换器3通过电能收集器件4与封装壳体5上设置的正极与负极电连接；cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置于放射性核素1射线的出射路线上，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2用于吸收放射性核素1的次级辐射，并发出可见光其中，次级辐射为α粒子、β粒子与x射线；光电转换器3设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的发光路线上，光电转换器3用于吸收cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2发出的可见光，并将其转换为电能，电能收集器件4用于收集、存储光电转换器3输出的电能以及为外部负载供电。
57.本实施例中，采用封装壳体5，提升了环境水氧稳定性、进而更有利于提高本发明电池寿命。放射性核素1采用天然放射性核素
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am源，优选地采用
241
am2o3；
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am2o3旋涂(也可以沉积在cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2上)在cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2上。
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am2o3为天然衰变材料，可以放射出α粒子(5.5mev)和x射线(59.5kev)，α粒子和x射线辐射的能量会被cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2吸收，并将这两种辐射能量有效转换为可见光，可见光进入光电转换器3转换为电能。其中
241
am2o3为长方体结构，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2也为长方体结构，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据需要将
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am2o3与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置为圆柱体结构。
58.241
am2o3中
241
am自发衰变可长时间稳定释放α粒子和x射线，提供了稳定的能量来源，本发明的电池使用时不需外部能量输入、能够实现自给能。
241
am的半衰期为431.6年，利于本发明电池的长寿命。
59.cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2选用的等效原子序数大于40，可以有效吸收x射线光子的能量和α粒子的能量，将其均转换为次级电子、有效传递给cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的发光中心，实现高能量转换效率和发光效率，可获得不低于70000光子/mev的高光产额。cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的发光中心位置在440nm(自限阈激子发光)和510nm(tl原子发光)，具有高发光效率。本领域的技术人员还可以根据需求选用大块cs3cu2i5:tl零维钙钛矿单晶，也可以采用毫米级单晶拼接的cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体。
60.本实施例中的光电转换器3为钙钛矿光电转换器，优选地采用cspbbr3器件，具有高的光电转换效率，能有效将可见光能量转换为电能，可包括储能电路等部件。cspbbr3器件的带隙为2.3ev，可有效接收cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2发出的可见光，并且cspbbr3器件与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的波长匹配较好。在其他实施例中还可以选用硅光电转换器
和砷化镓光电转换器等。
61.由于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2具有强的辐照稳定性，在长时间使用时，能稳定将α粒子和x射线能量转换为可见光；具有好的环境稳定性，发光特性不随环境中湿度和氧气等的影响而退化，在封装后，此性能可增强；因此本实施例中，还设置有透明壳体，透明壳体将放射性核素1
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am2o3与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2贴合设置于其内部进行封装，使得cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2能够充分的吸收放射性核素1(
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am2o3)放射的α粒子和x射线的能量。
62.本实施例的长寿命α型光伏同位素电池结构简单，适用于一些对电池输出功率密度要求不高的小功耗负载电路中。
63.如图2所示，本发明长寿命α型光伏同位素电池的工作原理如下：
64.1)利用放射性核素1放射出次级辐射；
65.2)使用cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2吸收次级辐射，并将次级辐射转换为可见光；
66.3)通过光电转换器3接收可见光，并将其转换为电能；
67.4)光电转换器3通过电能收集器件4与封装壳体5上设置的正极与负极电连接；电能收集器件4用于收集、存储光电转换器3输出的电能以及为外部负载供电；
68.5)将放射性核素1与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2利用透明壳体进行一次封装后，通过封装壳体5将放射性核素1、cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2再与光电转换器3、电能收集器件4进行二次封装，完成长寿命α型光伏同位素电池的制备。
69.实施例二
70.如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中的长寿命α型光伏同位素电池，包括封装壳体5、设置于封装壳体5内的放射性核素1、cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2与两个光电转换器3、两个电能收集器件4；
71.放射性核素1与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置在两个光电转换器3之间；cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置于放射性核素1的次级辐射出射路径上，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2用于吸收放射性核素1的次级辐射，并发出可见光其中，次级辐射为α粒子、β粒子与x射线；光电转换器3设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的发光路线上，光电转换器3用于吸收cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2发出的可见光，并将其转换为电能。两个光电转换器3分别通过电能收集器件4与封装壳体5上设置的正极与负极电连接，电能收集器件4用于收集、存储光电转换器(3)输出的电能以及为外部负载供电。
72.241
am2o3为长方体结构，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2也为长方体结构，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2上通过三维开孔设置有多个与长方体结构的
241
am2o3尺寸匹配的盲孔，并且盲孔均设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的一侧，将
241
am2o3分别填充进多个盲孔中，则与该侧相对设置有cspbbr3器件(即与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置盲孔的一侧相对设置有cspbbr3器件)。实施例二中，在多个盲孔中填充
241
am2o3增加了
241
am2o3与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的接触面积，提高了cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2对
241
am2o3放射的α粒子、β粒子和x射线的能量吸收，使得cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2具有更高的发光效率。有效提高了长寿命α型光伏同位素电池的功率密度，适用于较高功耗的负载电路中。
73.实施例三
74.如图4所示，实施例三与实施例二的区别在于，
241
am2o3为长方体结构，cs3cu2i5:tl
钙钛矿闪烁体2也为长方体结构，cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2上通过三维开孔设置有多个与长方体结构的
241
am2o3尺寸匹配的盲孔，并且盲孔均设置于cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2上相对的两侧且在cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2内部错位，将
241
am2o3分别填充进多个盲孔中，则与该侧相对设置有cspbbr3器件(即与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2设置盲孔的一侧相对设置有cspbbr3器件)。实施例三中，在多个盲孔中填充
241
am2o3，增加了
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am2o3与cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2的接触面积，提高了cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2对
241
am2o3放射的α粒子、β粒子和x射线的能量吸收，使得cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2具有更高的发光效率。实施例三利用cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2对称开孔的方式提高了cs3cu2i5:tl钙钛矿闪烁体2自身发光的均匀性，可有效提高其两侧光电转换器3功率输出的一致性。
75.实施例三与实施例二的其余部分内容相同。
76.实施例四
77.如图5所示，实施例四与实施例一的区别在于，
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am2o3为圆柱体结构，cs3cu2i5：tl钙钛矿闪烁体2也为圆柱体结构，
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am2o3与cs3cu2i5：tl钙钛矿闪烁体2之间设置有间隙，间隙为5mm。
78.实施例四与实施例一的其余部分内容相同。