一種光電核電池的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于核物理、核能應用和微能源領域，具體涉及一種光電核電池的制備方法。
【背景技術】
[0002]目前在超低功率裝置、自動控制系統(tǒng)以及航天電子器件等眾多領域，尤其是一些現(xiàn)階段更換和維修較困難的供電節(jié)點，具備長壽命、高效穩(wěn)定、小尺寸、重量輕、環(huán)境適應能力強、工作溫度范圍寬和輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)勢的核電池可以很好的滿足這些特殊需求。
[0003]常規(guī)現(xiàn)有的核電池中，熱電溫差效應核電池體積較大，難以實現(xiàn)小型化；輻射伏特效應核電池由于放射源釋放的粒子是和半導體換能組件直接發(fā)生作用，半導體材料易受輻照損傷；而采用輻射能-光能-電能二次換能模式的輻致熒光核電池可以很好的規(guī)避上述不足。輻致熒光核電池的具體工作原理是將放射性同位素衰變釋放的載能粒子(如α、β粒子)轟擊熒光層，輻射激發(fā)經過電子輻射躍迀等一系列中間過程后產生熒光，再利用半導體材料收集，光子將能量傳遞給電子，在材料中產生很多電子空穴對，電子空穴對在PN結的內建電場作用下分別向兩側漂移，在P型側和N型側分別收集大量的空穴和電子，將P、N電極和負載相連接，便可形成回路產生電流。其中，熒光層相對于輻射伏特效應核電池中的半導體材料而言耐輻照性能更強。
[0004]但是，由于受放射源粒子通量、材料自吸收效應、各部件間匹配耦合程度和光學傳輸損耗等限制因素，常規(guī)結構的輻致熒光核電池的輸出功率較低，能量轉換效率不高。與此同時另一方面，作為光電換能單元的太陽能電池對太陽光的依賴性較高，在黑暗下便無輸出，受環(huán)境因素限制較大。該兩類供電方式在各自單獨工作的情況下，都存在一定的局限性，使得其應用潛質大打折扣。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種光電核電池的制備方法，解決了現(xiàn)有技術中光電核電池在無關狀態(tài)下不能工作的問題。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題，采用如下技術方案:
一種光電核電池的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、設置密封外殼、放射源層、半導體光伏組件、熒光層；
步驟2、將放射源層外部設置玻璃密封結構；
步驟3、在密封外殼上設置透明窗窗體，并且在密封外殼內部固定設置依次連接的具有玻璃密封結構的放射源層、熒光層、半導體光伏組件；
步驟4、將玻璃密封結構與與密封外殼的透明窗體固定連接，將玻璃基底與半導體光伏組件的前電極層連接。
[0007]所述半導體光伏組件包括依次連接的前電極層、半導體層、背電極層。
[0008]所述放射源為氣態(tài)氚源，填充在一密封的硼硅酸鹽玻璃彈性透明包囊中，設于玻璃密封結構內。
[0009]所述密封外殼為陶瓷材料，且透鏡表面涂覆一層厚度均勻的由T12Al2O3材料制成的增透膜。
[0010]所述透明窗體為菲涅爾聚光透鏡。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明的放射源為氣態(tài)氚，透光性較好，使得結合太陽光共同作用成為可能，增大電池的輸出功率，大大提高了電池的能量密度，拓展了電池的應用領域，同時放射性同位素氚的半衰期較長，保證了電池能夠長時間工作。
[0012]2、本發(fā)明核電池采用疊層結構，太陽光和放射源釋放的粒子可以應用同一個半導體光伏組件來完成能量轉換機制，不僅結構緊湊，激發(fā)源的利用率高，而且減少了器件的使用數(shù)量，降低了電池本身的內電阻和漏電流，有效降低了電池的故障率。
[0013]3、本發(fā)明所述的熒光層采用物理沉降法或者膠粘復合法制備，工藝相對簡單，易于實現(xiàn)，且可以根據不同的要求，更換合適的熒光物質和基板材料等，電池設計更加靈活。
[0014]4、本發(fā)明所述的微小型電池上表面采用覆有T12Al2O3材料制成的均勻減反射薄膜的菲涅爾聚光透鏡封裝，在300~900nm波段具有較高的光透射率，良好的化學穩(wěn)定性、粘附性、耐久性和抗光輻射能力，可以有效地緩解甚至消除電池組件輻照損傷，延長電池的使用壽命。
【具體實施方式】
[0015]下面對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明:
一種光電核電池的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、設置密封外殼、放射源層、半導體光伏組件、熒光層；
步驟2、將放射源層外部設置玻璃密封結構；
步驟3、在密封外殼上設置透明窗窗體，并且在密封外殼內部固定設置依次連接的具有玻璃密封結構的放射源層、熒光層、半導體光伏組件；
步驟4、將玻璃密封結構與與密封外殼的透明窗體固定連接，將玻璃基底與半導體光伏組件的前電極層連接。
[0016]所述半導體光伏組件包括依次連接的前電極層、半導體層、背電極層。
[0017]所述放射源為氣態(tài)氚源，填充在一密封的硼硅酸鹽玻璃彈性透明包囊中，設于玻璃密封結構內。
[0018]所述密封外殼為陶瓷材料，且透鏡表面涂覆一層厚度均勻的由T12Al2O3材料制成的增透膜。
[0019]所述透明窗體為菲涅爾聚光透鏡。
[0020]本發(fā)明的集光致熒光和輻致熒光于一體的微小型光電核電池，可通過以下方法制備得到:
實施例1
步驟一、選取透光率為95%，耐1000°C的石英玻璃片作為熒光層的基底，用去離子水和酒精多次反復清洗，烘干備用；
步驟二、采用物理沉降技術在所述襯底上沉積一層厚度為70 μ m的ZnS: Cu熒光層5，將沉積后的樣品放置在250°C溫度下烘干30分鐘，待其自然冷卻至常溫即可取出，完成輻致熒光層的制備，整個制備環(huán)境為常壓；
步驟三、制備核電池的外圍結構，密封外殼9的基板為DPC，即直接利用披覆技術將銅沉積在Al2O3支架上的直接鍍銅支架。該種陶瓷材料導熱系數(shù)較高，可以提升電池的散熱效率，且可利用DPC表面鍍上的薄銅與背電極8相接觸，實現(xiàn)電極引出。密封外殼9的四周是普通的陶瓷散熱支架，起保護電池和散熱作用；
步驟四、將InGaP/GaAs/Ge三接面半導體層7的接觸電極用連接線焊接，并放入密封外殼9內，布置引線，在承載裝置的側面鑿出半徑為Imm的圓形孔洞將正負極接線引出；步驟五、在光伏組件的上方加載由ZnS: Cu熒光層和內部設有密封硼硅酸鹽玻璃彈性透明包囊的玻璃包囊，彈性透明包囊內充有氣態(tài)氚放射源，構成輻致熒光核電池部分；步驟六、在整個外圍結構上方加載一種菲涅爾聚光透鏡制成的透明窗體，然后將電池的各個單元封裝組合，完成光電核電池的制備。其中，放射性同位素的活性區(qū)面積和半導體層的光吸收表面積略小于焚光層的表面積。
[0021]實施例2
本實例與例I除以下幾個地方不同之外，其他均一致。
[0022]步驟一、選取常溫下粘度在4500~5500MPa.s的無色透明環(huán)氧樹脂和粘度在350~500MPa*s無色透明固化劑，并對熒光粉進行前處理，在50-60°C預熱一段時間；
步驟二、采用膠粘復合技術將環(huán)氧樹脂和固化劑按照重量比2:1混合，摻入Y2O2S = Eu熒光粉攪拌均勻，加溫固化，除去邊角修剪成合適尺寸，完成熒光層制備；
步驟五、在半導體層的上方加載由Y2O2S = Eu熒光粉和透明膠制成的熒光層，在其上方繼續(xù)加載一層含氣態(tài)氚源的玻璃包囊，構成輻致熒光核電池部分；
實施例3
本實例與例I除以下幾個地方不同之外，其他均一致。
[0023]步驟五、在光伏組件的上方加載由ZnS: Cu熒光層和由彈性透明玻璃包裹的氣態(tài)氚源，構成輻致熒光核電池部分，并在其中添加一個超級電容和穩(wěn)壓輸出裝置，將小功率、不連續(xù)、分散的電能收集儲存；
步驟六、在整個外圍結構上方的透明窗體涂覆雙層化學穩(wěn)定性較好的T12Al2O3增透膜介質體系材料，然后將電池的各個單元封裝在一起，完成集光致熒光和輻致熒光于一體的微小型光電核電池制備。其中，放射性同位素的活性區(qū)面積和半導體層的光吸收表面積略小于焚光層的表面積。
[0024]將電池側面引出的電極與電子設備相連接，便可實現(xiàn)對設備的供電。同時，電池的外圍包殼材料可以保護這種微小型電池在受到擠壓和撞擊等過程中不被損壞，性能更為可靠。本發(fā)明設計的集光致熒光和輻致熒光于一體的微小型光電核電池，不僅可解決在光條件受限制的情況下，仍能將放射源的衰變能轉換成電能，滿足低功率裝置、小型電子器件或者機體保暖等用電需求；又可在光源充足的時候，引入太陽光一起作用于熒光層，有效提升電池的輸出功率，實現(xiàn)高功率設備的電源需求，完成航天計劃任務中的拍照、攝像和行走等探索使命。同時，光電核電池中采用的是放射性同位素氚，其半衰期較長，可達12.43年之久，充分發(fā)揮其長壽命優(yōu)勢。因此，集輻致熒光和光伏效應于一體的微小型電池可以實現(xiàn)多種用途，在不同設備需求上派上用場。綜上所述，由輻致熒光核電池和光伏效應電池的結合制備而成的光電核電池，具有耐輻射性強、壽命長、工藝簡單等特點，而且半導體層采用多接面的光伏組件，可有效拓寬熒光光譜的發(fā)射波長的吸收范圍，提高光電核電池的整體能量轉換效率，提升電池的電學輸出性能，使得該類型核電池為空間衛(wèi)星等特殊裝置提供電源系統(tǒng)，為未來能源解決提供廣闊前景。
【主權項】
1.一種光電核電池的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1、設置密封外殼、放射源層、半導體光伏組件、熒光層； 步驟2、將放射源層外部設置玻璃密封結構； 步驟3、在密封外殼上設置透明窗窗體，并且在密封外殼內部固定設置依次連接的具有玻璃密封結構的放射源層、熒光層、半導體光伏組件； 步驟4、將玻璃密封結構與與密封外殼的透明窗體固定連接，將玻璃基底與半導體光伏組件的前電極層連接。2.根據權利要求1所述的光電核電池的制備方法，其特征在于:所述半導體光伏組件包括依次連接的前電極層、半導體層、背電極層。3.根據權利要求1所述的光電核電池的制備方法，其特征在于:所述放射源為氣態(tài)氚源，填充在一密封的硼硅酸鹽玻璃彈性透明包囊中，設于玻璃密封結構內。4.根據權利要求1所述的光電核電池的制備方法，其特征在于:所述密封外殼為陶瓷材料，且透鏡表面涂覆一層厚度均勻的由T12AI2O3材料制成的增透膜。5.根據權利要求1所述的光電核電池的制備方法，其特征在于:所述透明窗體為菲涅爾聚光透鏡。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光電核電池的制備方法，首先，設置密封外殼、放射源層、半導體光伏組件、熒光層；其次，將放射源層外部設置玻璃密封結構；然后，在密封外殼上設置透明窗窗體，并且在密封外殼內部固定設置依次連接的具有玻璃密封結構的放射源層、熒光層、半導體光伏組件；最后，將玻璃密封結構與密封外殼的透明窗體固定連接，將玻璃基底與半導體光伏組件的前電極層連接。本發(fā)明結合太陽光的光致熒光和放射源的輻致熒光共同作用，增大了電池的輸出功率，大大提高了電池的能量密度，拓展了電池的應用領域，保證了電池能夠長時間高效工作。
【IPC分類】G21H1/06
【公開號】CN105070341
【申請?zhí)枴緾N201510459755
【發(fā)明人】馮方敏
【申請人】蘇州宏展信息科技有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月31日