本發(fā)明公開(kāi)了一種同位素電池，特別是利用放射性同位素β射線(xiàn)輻射致熒光發(fā)光與薄膜光伏電池相結(jié)合而成的一種同位素光伏電池。

背景技術(shù)：

放射性同位素電池(RIB)是將放射性同位素(RI)的衰變能通過(guò)一定的能量轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換為電能的一種供能裝置。由于RI的衰變過(guò)程不受環(huán)境影響，其能量釋放過(guò)程穩(wěn)定可靠且具有高能量密度，因此與其他供能裝置相比，RIB具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1)使用壽命長(zhǎng)，RIB的設(shè)計(jì)壽命取決于所用RI的半衰期，可達(dá)數(shù)年至數(shù)十年；2)不受外界環(huán)境影響，無(wú)需外部能量輸入，在其工作期間可穩(wěn)定供電。

將β射線(xiàn)的能量通過(guò)光伏作用轉(zhuǎn)化為電能有直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)化兩種方式：

1.直接轉(zhuǎn)換方式：用β射線(xiàn)直接照射半導(dǎo)體P-N結(jié)，能夠產(chǎn)生電子-空穴對(duì)而形成電流；一些裝置使用Ni-63作為輻射源，如在MEMS微裝置中應(yīng)用的微型同位素電池，更直接將Ni-63放射性同位素涂覆在半導(dǎo)體器件表面，讓?duì)律渚€(xiàn)直接照射到倒金字塔結(jié)構(gòu)的硅P-N結(jié)產(chǎn)生電流。Ni-63發(fā)射的β射線(xiàn)粒子動(dòng)能最大為66.7keV，平均為17.1keV，硅P-N結(jié)能耐受的粒子動(dòng)能在220-250keV，Ni-63發(fā)射的β射線(xiàn)不易破壞硅P-N結(jié)的結(jié)構(gòu)。

2.間接轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換方式：一種間接轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換方式為利用β射線(xiàn)照射熒光材料致其發(fā)出熒光，熒光照射光伏電池輸出電流。另一種用較強(qiáng)的β射線(xiàn)照射到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的溫度升高，熱光伏方式就是利用轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱使得轉(zhuǎn)化器表面的涂層發(fā)出紅外光，紅外光照射到紅外光光伏電池而產(chǎn)生電流，這種β射線(xiàn)源多為動(dòng)能較大的放射性同位素，如Sr-90。

同位素電池在安全有保障的前提下的應(yīng)用已受到重視。

太陽(yáng)能光伏電池一類(lèi)是單晶/多晶硅光伏電池，這一類(lèi)光伏電池是通過(guò)切割硅棒得到的硅片加工制造，生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境污染大，且光電轉(zhuǎn)換效率不高。

另一類(lèi)太陽(yáng)能光伏電池是近年有了很大發(fā)展的薄膜光伏電池，薄膜光伏電池種類(lèi)較多，其轉(zhuǎn)換效率不斷得到提高，成本相對(duì)較低，生產(chǎn)工藝也已成熟，使得光伏電池成本大大下降，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用的領(lǐng)域。

薄膜光伏電池分為非晶/微晶硅薄膜光伏電池和多元化合物薄膜光伏電池，非晶硅(a-Si)/微晶硅薄膜光伏電池薄膜厚度約600nm，單層電轉(zhuǎn)換效率不高，一般為6％～8％，原材料為硅烷可獲取性好，將其改進(jìn)為多層如三疊非晶硅薄膜太陽(yáng)電池則轉(zhuǎn)換效率有了很大提高，約為10％～12％。

多元化合物薄膜光伏電池原料為無(wú)機(jī)鹽，主要有：碲化鎘(CdTe)薄膜光伏電池，制造成 本低，光電轉(zhuǎn)換效率約為8.5％～10.5％。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏電池，光電轉(zhuǎn)換效率較高，約為10％～12％。砷化鎵III-V族化合物光電轉(zhuǎn)換效率最高，可達(dá)30％～40％。

與太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生電壓的光子密度相比，β射線(xiàn)的光子密度低2～4個(gè)位級(jí)，為了更有效地得到能量的轉(zhuǎn)換，采用β射線(xiàn)輻射致熒光發(fā)光作為轉(zhuǎn)換層具有應(yīng)用的價(jià)值。熒光粉發(fā)光已得到廣泛的使用，如各種日光燈管，三基色節(jié)能燈，陰極射線(xiàn)管，CRT電視顯像屏。發(fā)光物質(zhì)對(duì)高能量β射線(xiàn)的吸收一般經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：帶電粒子的減速、高能粒子的吸收以及電子-正電子對(duì)的形成。

因?yàn)棣铝Ｗ又饕请娮樱懦鰁+正電子的稱(chēng)為“正β衰變”，放出e-電子的稱(chēng)為“負(fù)β衰變”，利用β射線(xiàn)照射可以使熒光粉發(fā)光，其發(fā)光原理與陰極射線(xiàn)管電子束沖擊熒光屏發(fā)光有相似之處。當(dāng)β粒子衰變時(shí)發(fā)出的e-、e+電子沖擊到發(fā)光物質(zhì)后，發(fā)光物質(zhì)會(huì)發(fā)生晶格原子的離化，產(chǎn)生具有很多動(dòng)能的離化電子、離化電子又可繼續(xù)引起其他原子的激發(fā)或離化，產(chǎn)生次級(jí)電子，實(shí)現(xiàn)發(fā)光物質(zhì)對(duì)高能帶電粒子的能量吸收，當(dāng)這些激發(fā)或離化狀態(tài)重新回到平衡態(tài)時(shí)，產(chǎn)生發(fā)光。

發(fā)光光譜是熒光和磷光的總稱(chēng)，熒光是指電子從單線(xiàn)態(tài)第一激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時(shí)釋放的光，磷光是指電子從三線(xiàn)態(tài)第一激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)釋放的光。因?yàn)楸景l(fā)明對(duì)熒光和磷光沒(méi)有特別要求，不需要區(qū)分光譜中兩者的成分，所以直接測(cè)量發(fā)光光譜即可。

供參考的陰極射線(xiàn)發(fā)光(Cathodoluminescence)，即發(fā)光物質(zhì)在電子束激發(fā)下所產(chǎn)生的發(fā)光，簡(jiǎn)稱(chēng)為CL，最常見(jiàn)的應(yīng)用是陰極射線(xiàn)管和CRT電視顯像屏，這種應(yīng)用的電子束具有的能量通常在1-10keV?；驹硎钱?dāng)高能量電子束進(jìn)入發(fā)光體后撞擊晶格，產(chǎn)生數(shù)量增多的電子，這就是次級(jí)電子(secondary electron)，次級(jí)電子又會(huì)產(chǎn)生電子，次級(jí)電子的能量不斷減小，但數(shù)量倍增。最后，大量的能量只有幾個(gè)eV的電子去激發(fā)發(fā)光材料，這些電子通過(guò)諧振或準(zhǔn)諧振的形式將能量傳遞給發(fā)光中心離子，最終使發(fā)光材料發(fā)光。另外，次級(jí)電子的能量分布很寬，能夠激發(fā)各種能態(tài)。

一些β射線(xiàn)源已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，如Ni-63和Sr-90在醫(yī)學(xué)方面得到了應(yīng)用，使用Ni-63制造的微型同位素電池已用于心臟起搏器。

由于核電站的發(fā)展使得乏燃料大量產(chǎn)生，既帶來(lái)核廢料引起的安全問(wèn)題又是很大的浪費(fèi)，對(duì)其如何利用受到了各國(guó)政府和社會(huì)的高度重視。同位素電池在使用較安全的Ni-63之外，如能利用在乏燃料中提取的同位素，就找到了一條變廢為寶的途徑，如Sr-90就可以從核廢料處理的廢液中提取。設(shè)計(jì)好同位素電池，解決好相關(guān)工藝，從核廢料中提取的同位素的安全利用將可以得到實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)綜合分析，利用放射性同位素衰變時(shí)發(fā)射的β射線(xiàn)沖擊熒光物質(zhì)，將熒光物質(zhì)發(fā)出 的光照射到光伏電池而得到電流是可行的方案；如設(shè)計(jì)合理工藝得當(dāng)，核電站的乏燃料也能增加一個(gè)利用的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述原理，提供一種放射性同位素與薄膜光伏電池相結(jié)合的放射性同位素β射線(xiàn)輻射致熒光發(fā)光光伏電池的設(shè)計(jì)方案。

薄膜光伏電池得到普及應(yīng)用，生產(chǎn)的工藝已經(jīng)成熟，選擇非晶/微晶硅薄膜光伏電池或多元化合物薄膜光伏電池，可以滿(mǎn)足本發(fā)明所需使用的薄膜光伏電池的要求。

一般情況薄膜光伏電池的表面已有一層保護(hù)膜，可以將熒光粉直接沉積在保護(hù)膜之上生成熒光發(fā)光層；如果薄膜光伏電池的表面保護(hù)膜不能滿(mǎn)足生成熒光發(fā)光層的要求，則通過(guò)提高薄膜光伏電池的表面保護(hù)膜的技術(shù)要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。

熒光發(fā)光層可通過(guò)熒光粉的化學(xué)沉積方法實(shí)現(xiàn)，在需進(jìn)一步提高熒光發(fā)光層的性能時(shí)，可以采用磁控濺射的方法進(jìn)行加工；這里提到的性能提高是指減少β射線(xiàn)的穿透以免太多和太強(qiáng)的β射線(xiàn)直接照射薄膜光伏電池；另一方面熒光發(fā)光層與薄膜光伏電池的附著性能好，保證了較好的熱傳導(dǎo)可以提高單位面積的功率，還能使得同位素電池整體的溫度特性有較好的保障，提高裝置的的技術(shù)指標(biāo)。

放射性同位素β射線(xiàn)源為薄片結(jié)構(gòu)，采用在鎳片表面電鍍Ni-63的方式，這種工藝容易得到較大面積的β射線(xiàn)源，加工工藝性較好，鎳片還可以實(shí)現(xiàn)雙面電鍍；也可以使用高通量工程試驗(yàn)反應(yīng)堆輻照鎳片而成的泡沫鎳片作為放射性同位素β射線(xiàn)源。

放射性同位素β射線(xiàn)源與薄膜光伏電池以貼近的方式組合，這樣電池的厚度減小，容易實(shí)現(xiàn)夾心式設(shè)計(jì)和多電池疊加的設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基本原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的原理圖；

其中1、8是電池的基板，2、7是帶襯底的薄膜光伏電池層，3、6是熒光發(fā)光層；4是放射性同位素β射線(xiàn)源，5是電池的輸出引線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中1是薄膜光伏電池的基板，基板1采用不銹鋼板，厚度為0.3-0.5mm；

在基板1上是帶襯底的薄膜光伏電池層2，薄膜光伏電池層2選用微晶硅薄膜光伏電池，微晶硅薄膜光伏電池為三疊P-N結(jié)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)換效率，薄膜光伏電池層2的表面生成有保護(hù) 膜；薄膜光伏電池的襯底為不銹鋼，厚度為0.1mm。

在薄膜光伏電池層2的保護(hù)膜上用磁控濺射的方法生成熒光發(fā)光層3，熒光粉為β射線(xiàn)輻射致發(fā)光的稀土熒光粉；

放射性同位素β射線(xiàn)源4采用鎳片單面電鍍Ni-63的方式，鎳片的厚度為0.2mm；

5是薄膜光伏電池的輸出引線(xiàn)；

電池的外面還需設(shè)計(jì)必要的保護(hù)外殼，這樣本發(fā)明的構(gòu)思得以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例2：

見(jiàn)圖2，本實(shí)施例中放射性同位素β射線(xiàn)源4采用鎳片雙面電鍍Ni-63的方式，鎳片的厚度為0.3mm；

基板1和基板8，均采用不銹鋼薄板，厚度為0.3-0.5mm；

基板1上是帶襯底的光伏電池層2，基板8上是帶襯底的光伏電池層7，光伏電池層2和光伏電池層7均為銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏電池；薄膜光伏電池的襯底為不銹鋼，厚度為0.1mm；

在光伏電池層2保護(hù)膜的上面用化學(xué)沉積的方法沉積生成熒光發(fā)光層3，在光伏電池層7保護(hù)膜的上面用化學(xué)沉積的方法沉積生成熒光發(fā)光層6，熒光層選用β射線(xiàn)輻射致發(fā)光的稀土三基色熒光粉；

5是薄膜光伏電池的輸出引線(xiàn)；

電池的外面再設(shè)計(jì)必要的保護(hù)殼，這樣本發(fā)明的夾心式結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。