一种光电核电池的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及一种光电核电池的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前在超低功率装置、自动控制系统以及航天电子器件等众多领域，尤其是一些现阶段更换和维修较困难的供电节点，具备长寿命、高效稳定、小尺寸、重量轻、环境适应能力强、工作温度范围宽和输出功率稳定等优势的核电池可以很好的满足这些特殊需求。
[0003]常规现有的核电池中，热电温差效应核电池体积较大，难以实现小型化；辐射伏特效应核电池由于放射源释放的粒子是和半导体换能组件直接发生作用，半导体材料易受辐照损伤；而采用辐射能-光能-电能二次换能模式的辐致荧光核电池可以很好的规避上述不足。辐致荧光核电池的具体工作原理是将放射性同位素衰变释放的载能粒子(如α、β粒子)轰击荧光层，辐射激发经过电子辐射跃迀等一系列中间过程后产生荧光，再利用半导体材料收集，光子将能量传递给电子，在材料中产生很多电子空穴对，电子空穴对在PN结的内建电场作用下分别向两侧漂移，在P型侧和N型侧分别收集大量的空穴和电子，将P、N电极和负载相连接，便可形成回路产生电流。其中，荧光层相对于辐射伏特效应核电池中的半导体材料而言耐辐照性能更强。
[0004]但是，由于受放射源粒子通量、材料自吸收效应、各部件间匹配耦合程度和光学传输损耗等限制因素，常规结构的辐致荧光核电池的输出功率较低，能量转换效率不高。与此同时另一方面，作为光电换能单元的太阳能电池对太阳光的依赖性较高，在黑暗下便无输出，受环境因素限制较大。该两类供电方式在各自单独工作的情况下，都存在一定的局限性，使得其应用潜质大打折扣。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种光电核电池的制备方法，解决了现有技术中光电核电池在无关状态下不能工作的问题。
[0006]本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案:
一种光电核电池的制备方法，包括如下步骤:
步骤1、设置密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层；
步骤2、将放射源层外部设置玻璃密封结构；
步骤3、在密封外壳上设置透明窗窗体，并且在密封外壳内部固定设置依次连接的具有玻璃密封结构的放射源层、荧光层、半导体光伏组件；
步骤4、将玻璃密封结构与与密封外壳的透明窗体固定连接，将玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接。
[0007]所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层。
[0008]所述放射源为气态氚源，填充在一密封的硼硅酸盐玻璃弹性透明包囊中，设于玻璃密封结构内。
[0009]所述密封外壳为陶瓷材料，且透镜表面涂覆一层厚度均匀的由T12Al2O3材料制成的增透膜。
[0010]所述透明窗体为菲涅尔聚光透镜。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
1、本发明的放射源为气态氚，透光性较好，使得结合太阳光共同作用成为可能，增大电池的输出功率，大大提高了电池的能量密度，拓展了电池的应用领域，同时放射性同位素氚的半衰期较长，保证了电池能够长时间工作。
[0012]2、本发明核电池采用叠层结构，太阳光和放射源释放的粒子可以应用同一个半导体光伏组件来完成能量转换机制，不仅结构紧凑，激发源的利用率高，而且减少了器件的使用数量，降低了电池本身的内电阻和漏电流，有效降低了电池的故障率。
[0013]3、本发明所述的荧光层采用物理沉降法或者胶粘复合法制备，工艺相对简单，易于实现，且可以根据不同的要求，更换合适的荧光物质和基板材料等，电池设计更加灵活。
[0014]4、本发明所述的微小型电池上表面采用覆有T12Al2O3材料制成的均匀减反射薄膜的菲涅尔聚光透镜封装，在300~900nm波段具有较高的光透射率，良好的化学稳定性、粘附性、耐久性和抗光辐射能力，可以有效地缓解甚至消除电池组件辐照损伤，延长电池的使用寿命。
【具体实施方式】
[0015]下面对本发明的技术方案进行详细说明:
一种光电核电池的制备方法，包括如下步骤:
步骤1、设置密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层；
步骤2、将放射源层外部设置玻璃密封结构；
步骤3、在密封外壳上设置透明窗窗体，并且在密封外壳内部固定设置依次连接的具有玻璃密封结构的放射源层、荧光层、半导体光伏组件；
步骤4、将玻璃密封结构与与密封外壳的透明窗体固定连接，将玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接。
[0016]所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层。
[0017]所述放射源为气态氚源，填充在一密封的硼硅酸盐玻璃弹性透明包囊中，设于玻璃密封结构内。
[0018]所述密封外壳为陶瓷材料，且透镜表面涂覆一层厚度均匀的由T12Al2O3材料制成的增透膜。
[0019]所述透明窗体为菲涅尔聚光透镜。
[0020]本发明的集光致荧光和辐致荧光于一体的微小型光电核电池，可通过以下方法制备得到:
实施例1
步骤一、选取透光率为95%，耐1000°C的石英玻璃片作为荧光层的基底，用去离子水和酒精多次反复清洗，烘干备用；
步骤二、采用物理沉降技术在所述衬底上沉积一层厚度为70 μ m的ZnS: Cu荧光层5，将沉积后的样品放置在250°C温度下烘干30分钟，待其自然冷却至常温即可取出，完成辐致荧光层的制备，整个制备环境为常压；
步骤三、制备核电池的外围结构，密封外壳9的基板为DPC，即直接利用披覆技术将铜沉积在Al2O3支架上的直接镀铜支架。该种陶瓷材料导热系数较高，可以提升电池的散热效率，且可利用DPC表面镀上的薄铜与背电极8相接触，实现电极引出。密封外壳9的四周是普通的陶瓷散热支架，起保护电池和散热作用；
步骤四、将InGaP/GaAs/Ge三接面半导体层7的接触电极用连接线焊接，并放入密封外壳9内，布置引线，在承载装置的侧面凿出半径为Imm的圆形孔洞将正负极接线引出；步骤五、在光伏组件的上方加载由ZnS: Cu荧光层和内部设有密封硼硅酸盐玻璃弹性透明包囊的玻璃包囊，弹性透明包囊内充有气态氚放射源，构成辐致荧光核电池部分；步骤六、在整个外围结构上方加载一种菲涅尔聚光透镜制成的透明窗体，然后将电池的各个单元封装组合，完成光电核电池的制备。其中，放射性同位素的活性区面积和半导体层的光吸收表面积略小于焚光层的表面积。
[0021]实施例2
本实例与例I除以下几个地方不同之外，其他均一致。
[0022]步骤一、选取常温下粘度在4500~5500MPa.s的无色透明环氧树脂和粘度在350~500MPa*s无色透明固化剂，并对荧光粉进行前处理，在50-60°C预热一段时间；
步骤二、采用胶粘复合技术将环氧树脂和固化剂按照重量比2:1混合，掺入Y2O2S = Eu荧光粉搅拌均匀，加温固化，除去边角修剪成合适尺寸，完成荧光层制备；
步骤五、在半导体层的上方加载由Y2O2S = Eu荧光粉和透明胶制成的荧光层，在其上方继续加载一层含气态氚源的玻璃包囊，构成辐致荧光核电池部分；
实施例3
本实例与例I除以下几个地方不同之外，其他均一致。
[0023]步骤五、在光伏组件的上方加载由ZnS: Cu荧光层和由弹性透明玻璃包裹的气态氚源，构成辐致荧光核电池部分，并在其中添加一个超级电容和稳压输出装置，将小功率、不连续、分散的电能收集储存；
步骤六、在整个外围结构上方的透明窗体涂覆双层化学稳定性较好的T12Al2O3增透膜介质体系材料，然后将电池的各个单元封装在一起，完成集光致荧光和辐致荧光于一体的微小型光电核电池制备。其中，放射性同位素的活性区面积和半导体层的光吸收表面积略小于焚光层的表面积。
[0024]将电池侧面引出的电极与电子设备相连接，便可实现对设备的供电。同时，电池的外围包壳材料可以保护这种微小型电池在受到挤压和撞击等过程中不被损坏，性能更为可靠。本发明设计的集光致荧光和辐致荧光于一体的微小型光电核电池，不仅可解决在光条件受限制的情况下，仍能将放射源的衰变能转换成电能，满足低功率装置、小型电子器件或者机体保暖等用电需求；又可在光源充足的时候，引入太阳光一起作用于荧光层，有效提升电池的输出功率，实现高功率设备的电源需求，完成航天计划任务中的拍照、摄像和行走等探索使命。同时，光电核电池中采用的是放射性同位素氚，其半衰期较长，可达12.43年之久，充分发挥其长寿命优势。因此，集辐致荧光和光伏效应于一体的微小型电池可以实现多种用途，在不同设备需求上派上用场。综上所述，由辐致荧光核电池和光伏效应电池的结合制备而成的光电核电池，具有耐辐射性强、寿命长、工艺简单等特点，而且半导体层采用多接面的光伏组件，可有效拓宽荧光光谱的发射波长的吸收范围，提高光电核电池的整体能量转换效率，提升电池的电学输出性能，使得该类型核电池为空间卫星等特殊装置提供电源系统，为未来能源解决提供广阔前景。
【主权项】
1.一种光电核电池的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1、设置密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层； 步骤2、将放射源层外部设置玻璃密封结构； 步骤3、在密封外壳上设置透明窗窗体，并且在密封外壳内部固定设置依次连接的具有玻璃密封结构的放射源层、荧光层、半导体光伏组件； 步骤4、将玻璃密封结构与与密封外壳的透明窗体固定连接，将玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接。2.根据权利要求1所述的光电核电池的制备方法，其特征在于:所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层。3.根据权利要求1所述的光电核电池的制备方法，其特征在于:所述放射源为气态氚源，填充在一密封的硼硅酸盐玻璃弹性透明包囊中，设于玻璃密封结构内。4.根据权利要求1所述的光电核电池的制备方法，其特征在于:所述密封外壳为陶瓷材料，且透镜表面涂覆一层厚度均匀的由T12AI2O3材料制成的增透膜。5.根据权利要求1所述的光电核电池的制备方法，其特征在于:所述透明窗体为菲涅尔聚光透镜。
【专利摘要】本发明公开了一种光电核电池的制备方法，首先，设置密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层；其次，将放射源层外部设置玻璃密封结构；然后，在密封外壳上设置透明窗窗体，并且在密封外壳内部固定设置依次连接的具有玻璃密封结构的放射源层、荧光层、半导体光伏组件；最后，将玻璃密封结构与密封外壳的透明窗体固定连接，将玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接。本发明结合太阳光的光致荧光和放射源的辐致荧光共同作用，增大了电池的输出功率，大大提高了电池的能量密度，拓展了电池的应用领域，保证了电池能够长时间高效工作。
【IPC分类】G21H1/06
【公开号】CN105070341
【申请号】CN201510459755
【发明人】冯方敏
【申请人】苏州宏展信息科技有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月31日