一种复合温差辐射伏特同位素电池及其制备方法

本发明属于电池，具体涉及一种复合温差辐射伏特同位素电池及其制备方法。

背景技术：

1、热电同位素电池的工作原理是利用放射性同位素衰变时释放出的热能，通过热电偶将热能转换为电能，被广泛应用于航天领域，如空间探测器和卫星，因为它们具有尺寸小、重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特。热电电池使用的半导体材料需要具备高热电优值、高电导率、低热导率、适当的塞贝克系数。碳化硅是一种宽带隙半导体，具有优异的热导率和较高的耐辐射能力它在高温、高频和高功率电子器件中有广泛应用氮化镓也是一种宽带隙半导体，以其出色的热管理和辐射耐受性而闻名。

2、塞贝克效应产生的主要原因是热端的载流子向冷端扩散的结果。例如，在p型半导体中，由于热端空穴的浓度较高，空穴便从高温端向低温端扩散。在开路情况下，就在半导体的两端形成空间电荷区，热端带负电荷而冷端带正电荷，并在半导体内部产生电场。当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，达到稳定状态，在半导体两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势—温差电动势。n型半导体的温差电动势方向是从低温端指向高温端，而p型半导体的温差电动势方向是高温端指向低温端。

3、辐射伏特效应是一种能量转换现象，它涉及到放射性同位素衰变时释放的射线与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对，进而在电场的作用下分离并产生电流。这种效应是辐射伏特效应电池的工作原理基础，这类电池能够将放射性衰变能转换为电能。放射性同位素热电发电器主要应用于太空探索领域，尤其是在太阳系的深空任务中，太阳能电池板效率较低或不可行的情况下。它们被用于为航天器提供电力，包括一些著名的任务，如“旅行者”号和“好奇号”火星探测器。

4、热电发电器的工作原理基于塞贝克效应，即两种不同材料的接点在温差作用下产生电压。在热电电池中，一个接点为热端，而另一个接点为冷端。冷端作为热电电池的低温区，与热端形成温差，这是产生电势差的关键。冷端负责散发由热端传递过来的热量，以维持电池的稳定工作温度。通过有效的散热，冷端有助于提高热电电池的能量转换效率。如果冷端散热不足，可能导致电池整体温度升高，从而降低塞贝克效应产生的电压。

5、在热电电池中，冷端和热端的材料选择至关重要，因为它们直接影响到能量转换的效率和设备的长期稳定性。热端通常选择具有较高seebeck系数的材料，以便在热端产生较大的电压。冷端选择具有较低seebeck系数的材料，以减少在冷端产生的电压，从而增加整个热电偶的电压差。

6、基于此，提出了一种复合温差辐射伏特同位素电池及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合温差辐射伏特同位素电池及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合温差辐射伏特同位素电池，包括放射源、蓝宝石层、辐射伏特转换半导体层、热电转换半导体层、冷却管、防护层和电极；

3、其中，所述蓝宝石层包裹在放射源外层，用来保护半导体层，所述辐射伏特转换半导体层包裹在蓝宝石层外层，所述热电转换半导体层包裹在辐射伏特转换半导体层外层，所述冷却管环绕在热电转换半导体层外层，所述防护层在最外侧；

4、所述电极由正电极和负电极组成，所述正电极穿过防护层和冷却管，在热电转换半导体层外层形成欧姆接触，所述负电极穿过防护层、冷却管和热电转换半导体层，在辐射伏特转换半导体层外层形成欧姆接触。

5、作为本发明的进一步说明，所述放射源1使用的放射源为氚、镍-63、锝-99、锶-90、铯-137、碘-129或钚-239中一种或多种的组合。

6、作为本发明的进一步说明，所述辐射伏特转换半导体层由硅、锗、金刚石、碳化硅、氮化镓、砷化镓、锑化铟、硒化锌、磷化铟或镓铟磷中的一种或多种组合材料制成，所述辐射伏特转换半导体层厚度为10μm～100μm。

7、作为本发明的进一步说明，所述热电转换半导体层用碲化铅、铋化锑、硅锗合金、硒化铅或碲化铋中一种或多种的组合材料制成，所述热电转换半导体层的厚度为10μm～500μm。

8、作为本发明的进一步说明，所述防护层由铅、混凝土、钨或硫酸钡中一种或多种材料组合制成，所述防护层的厚度为10cm～50cm。

9、作为本发明的进一步说明，所述电极由ti、al、au、pt、ni、mo、cu、ag、pd、w或fe中的一种或多种材料组合制成。

10、作为本发明的进一步说明，所述冷却管中装填有冷却液，所述冷却液由水、冷却油、磷酸盐型冷却液、酒精型冷却液或硅酸盐型冷却液中的一种或多种的组合。

11、一种复合温差辐射伏特同位素电池的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、从乏燃料里提取放射性同位素来制备放射源，并使用六片蓝宝石层2包裹放射源；

13、s2、制备辐射伏特转换半导体层并进行掺杂，以提高电性能，而后剥离辐射伏特转换半导体层，并将辐射伏特转换半导体层覆盖在蓝宝石层的表面；

14、s3、制备热电转换半导体层并进行掺杂，以提高电性能，而后剥离热电转换半导体层，并将热电转换半导体层覆盖在辐射伏特转换半导体层的表面；

15、s4、制备电极并与辐射伏特转换半导体层和热电转换半导体层之间形成欧姆接触；

16、s5、在热电转换半导体层外层环绕冷却管，并在最外层包裹防护层，完成电池的制备。

17、作为本发明的进一步说明，使用乏燃料提取放射性同位素来制备放射源的方法为水法后处理、干法后处理、溶剂萃取法、离子交换法、化学沉淀法或吸附法中的一种。

18、作为本发明的进一步说明，制备半导体层的工艺为氢化物气相外延、金属有机物化学气相沉积、钠助熔剂法、氨热法、模板电沉积法、电置换法或气相合成法中的一种；

19、剥离半导体薄层的工艺为光刻中剥离、激光剥离、插层剥离、基于薄膜型的外延片剥离或金模板辅助剥离中的一种。

20、本发明与现有技术相比具有以下优点：

21、本发明通过中的复合温差辐射伏特同位素电池，利用放射源产生的α、β、γ粒子，通过辐射伏特效应和塞贝克效应将核能转换为电能，相较于传统的热电同位素核电池提高了放射源能量的利用率，且对放射源使用的同位素材料要求低，为处理核电站产生的乏燃料提供了新的解决方案，便于推广使用。

技术特征：

1.一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于：包括放射源(1)、蓝宝石层(2)、辐射伏特转换半导体层(3)、热电转换半导体层(4)、冷却管(5)、防护层(6)和电极(7)；

2.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述放射源(1)使用的放射源为氚、镍-63、锝-99、锶-90、铯-137、碘-129或钚-239中一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述辐射伏特转换半导体层(3)由硅、锗、金刚石、碳化硅、氮化镓、砷化镓、锑化铟、硒化锌、磷化铟或镓铟磷中的一种或多种组合材料制成，所述辐射伏特转换半导体层(3)厚度为10μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述热电转换半导体层(4)用碲化铅、铋化锑、硅锗合金、硒化铅或碲化铋中一种或多种的组合材料制成，所述热电转换半导体层(4)的厚度为10μm～500μm。

5.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述防护层(6)由铅、混凝土、钨或硫酸钡中一种或多种材料组合制成，所述防护层(6)的厚度为10cm～50cm。

6.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述电极(7)由ti、al、au、pt、ni、mo、cu、ag、pd、w或fe中的一种或多种材料组合制成。

7.根据权利要求1所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池，其特征在于，所述冷却管(5)中装填有冷却液，所述冷却液由水、冷却油、磷酸盐型冷却液、酒精型冷却液或硅酸盐型冷却液中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池的制备方法，其特征在于，使用乏燃料提取放射性同位素来制备放射源的方法为水法后处理、干法后处理、溶剂萃取法、离子交换法、化学沉淀法或吸附法中的一种。

10.根据权利要求8所述的一种复合温差辐射伏特同位素电池的制备方法，其特征在于，制备半导体层的工艺为氢化物气相外延、金属有机物化学气相沉积、钠助熔剂法、氨热法、模板电沉积法、电置换法或气相合成法中的一种；

技术总结
本发明提供了一种复合温差辐射伏特同位素电池，包括放射源、蓝宝石层、辐射伏特转换半导体层、热电转换半导体层、冷却管、防护层和电极，蓝宝石层包裹在放射源外层，辐射伏特转换半导体层包裹在蓝宝石层外层，热电转换半导体层包裹在辐射伏特转换半导体层外层，冷却管环绕在热电转换半导体层外层，防护层在最外侧，电极的正电极穿过防护层和冷却管，在热电转换半导体层外层形成欧姆接触，负电极穿过防护层、冷却管和热电转换半导体层，在辐射伏特转换半导体层外层形成欧姆接触。本发明通过辐射伏特效应和塞贝克效应将核能转换为电能，提高了放射源能量的利用率，且对放射源使用的同位素材料要求低，便于推广使用。

技术研发人员：徐俊杰,张佳辰,吕坤伦,张光辉,唐军
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/17