CN111968772B - 一种基于石墨烯的异质结同位素电池 - Google Patents

一种基于石墨烯的异质结同位素电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的异质结同位素电池，包括石墨烯异质结能量转换结构和与所述石墨烯异质结能量转换结构相配合的放射源，所述石墨烯异质结能量转换结构包括衬底材料层，设置在所述衬底材料层的背面的背电极，设置在所述衬底材料层的正面的石墨烯层，所述石墨烯层与所述衬底材料层之间形成异质结。本发明采用石墨烯与半导体材料形成异质结，异质结金属层的石墨烯的厚度仅几个纳米，减小了金属层对源层的吸收阻挡作用，并且石墨烯的功函数较高，能与半导体材料形成较大的内建电场，有利于开路电压的提升，同时石墨烯还能作为电极材料，进一步减小放射源衰变粒子的能量损失提高了同位素电池的整体能量转换效率。

Description

一种基于石墨烯的异质结同位素电池
技术领域
本发明属于同位素电池领域，涉及一种辐射伏特式同位素电池，尤其涉及一种基于石墨烯的异质结同位素电池。
背景技术
同位素电池是将放射性同位素源的衰变能通过一定的能量转换方式转变为电能的一种供能装置。辐射伏特式同位素电池(Radiation Voltaic Isotope Battery，RVIB)是将同位素衰变释放出的带电粒子能量通过半导体转换为电能的装置，具有易微型化、工作寿命长的天然优势，且其环境适应能力强、稳定性好和无需维护，有望成为微机电***(MEMS)的最佳供电电源。
在已公开的同位素电池专利中，大部分辐射伏特式同位素电池采用PN结，即利用PN 结形成的内建电场的作用下，实现电子-空穴对的分离，从而实现电流的输出，但是，传统的辐射伏特PN结同位素电池需额外金属薄层复合电极作为电极引出，进一步增强了放射源射线的衰减作用，造成了传统的辐射伏特式同位素电池能量转换效率低。当前已有的同位素电池其能量转换效率普遍较低，生产成本高，且部分设计工艺加工难度大，迫切需要设计一种能量转换效率较高的结构简单、易于加工的同位素电池。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能效增加石墨烯与半导体之间形成的内建电场强度，提高载流子的有效分离和传输进而提高同位素电池的能量转换效率的一种基于石墨烯的异质结同位素电池。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于石墨烯的异质结同位素电池，包括石墨烯异质结能量转换结构和与所述石墨烯异质结能量转换结构相配合的放射源，所述石墨烯异质结能量转换结构包括衬底材料层，设置在所述衬底材料层的背面的背电极，设置在所述衬底材料层的正面的石墨烯层，所述石墨烯层与所述衬底材料层之间形成异质结。
进一步的，所述衬底材料层的与所述石墨烯层连接的一侧面形成有用以饱和所述衬底材料表面的悬挂键的绝缘钝化层，进而减少界面态密度，使界面的载流子浓度减小，最终提高异质结的电性能。
进一步的，所述绝缘钝化层的材质为二氧化硅、氧化铝、硫、氢、氮化硅中的任意一种。
进一步的，所述石墨烯层直接作为上层电极引出，进一步减小了放射源衰变粒子的能量损，所述石墨烯至少设有一层。
进一步的，所述衬底材料层为半导体材料，所述半导体材料为单质元素半导体或化合物半导体或第三代半导体。
优选的，所述单质元素半导体为硅、锗、硒中的任意一种，或者其他种类的单质元素半导体；所述化合物半导体为砷化镓、碲化铟中的任意一种，或者其他种类的化合物半导体；所述第三代半导体为碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石中的任意一种，或者其他种类的第三代半导体材料。
进一步的，所述背电极为铂电极、金电极、铟镓电极、铜电极中的任意一种。
进一步的，所述放射源包括放射源衬底材料层和能够发射出衰变粒子的放射性同位素源，所述放射性同位素源设置在所述放射源的靠近所述石墨烯层的一侧，所述放射源衬底材料层设置在所述放射源的远离所述石墨烯层的一侧。
进一步的，所述放射源衬底材料层选用能够耦合或吸附所述放射性同位素源的材料。
进一步的，所述放射性同位素源为β放射性同位素源或α放射性同位素源。
优选的，所述β放射性同位素源为3H、63Ni、90Sr、137Cs、144Ce、147Pm中的任意一种，或者其他种类β放射性同位素源，所述α放射性同位素源为210Po、226Ra、238Pu、241Am、244Cm、中的任意一种或者其他种类α放射性同位素源。
进一步的，所述石墨烯异质结能量转换结构与所述放射源组成一个电池单元，多个所述电池单元通过串联或并联或多层垛堞的方式进行对接封装。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用石墨烯与半导体材料形成异质结，异质结金属层的石墨烯的厚度仅有几个纳米，尽可能减小了金属层对源层的吸收阻挡作用；石墨烯的功函数较高，能与半导体材料形成较大的内建电场，有利于开路电压的提升；石墨烯同时还能作为电极材料，进一步减小了放射源衰变粒子的能量损失。本发明设计最大限度地提高了同位素电池的整体能量转换效率。
2、本发明的石墨烯材料具有超薄厚度，可有效降低同位素电池的体积尺寸，通过垛堞和采用串并联方式进行组合，达到不同大小功率的灵活输出。本发明结构简单，体积小，易于生产加工，可根据工作环境的不同进而灵活进行组合，拓展了装置的应用范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为基于石墨烯的异质结同位素电池的结构示意图。
附图标记说明：
1、能量转换结构；11、衬底材料层；12、背电极；13、绝缘钝化层；14、石墨烯层；2、放射源；21、放射源衬底材料层；22、放射性同位素源。
具体实施方式
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，若发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
参见图1。
本发明提供的基于石墨烯的异质结同位素电池，包括石墨烯异质结能量转换结构1和与所述石墨烯异质结能量转换结构1相配合的放射源2，所述石墨烯异质结能量转换结构1包括衬底材料层11，设置在所述衬底材料层11的背面的背电极12，设置在所述衬底材料层11 的正面的石墨烯层14，所述石墨烯层14与所述衬底材料层11之间形成异质结。
具体的，所述衬底材料层11的与所述石墨烯层14连接的一侧面形成有用以饱和所述衬底材料层11表面的悬挂键的绝缘钝化层13。
所述放射源2包括放射源衬底材料层21和能够发射出衰变粒子的放射性同位素源22，所述放射性同位素源22设置在所述放射源2的靠近所述石墨烯层14的一侧，所述放射源衬底材料层21设置在所述放射源2的远离所述石墨烯层14的一侧。
在一实施例中，具体设计如下：
本实施例提供的一种基于石墨烯的异质结同位素电池的设计，衬底材料层11为单晶硅，购自合肥科晶有限公司，规格为：1cm×1cm；背电极12为Au材质，磁控溅射形成，厚度为 40nm；绝缘钝化层13为SiO2材质，自然氧化形成，厚度为2nm；石墨烯层14设置为3-5 层，基体刻蚀法转移，厚度为1nm；放射性同位素源22为放射性63Ni源，厚度为200nm；放射源衬底材料层21为支撑放射性同位素源22的Ni膜，厚度为200um。
实验结果表明，电池开路电压0.2V，短路电流365nA，器件转换效率达到0.9％，比Andrey 2019年在《A nuclear battery based on silicon p-i-n structures withelectroplating 63Ni layer》报道的转换效率0.67％，提高了34％。体现了使用石墨烯异质结作为换能材料能有效提升辐射伏特效应电池的综合性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：包括石墨烯异质结能量转换结构(1)和与所述石墨烯异质结能量转换结构(1)相配合的放射源(2)，所述石墨烯异质结能量转换结构(1)包括衬底材料层(11)，设置在所述衬底材料层(11)的背面的背电极(12)，设置在所述衬底材料层(11)的正面的石墨烯层(14)，所述石墨烯层(14)与所述衬底材料层(11)之间形成异质结；
所述石墨烯层(14)直接作为上层电极引出，所述石墨烯层(14)至少设有一层。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述衬底材料层(11)的与所述石墨烯层(14)连接的一侧面形成有用以饱和所述衬底材料层(11)表面的悬挂键的绝缘钝化层(13)。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述绝缘钝化层(13)的材质为二氧化硅、氧化铝、硫、氢、氮化硅中的任意一种。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述衬底材料层(11)为半导体材料，所述半导体材料为单质元素半导体或化合物半导体或第三代半导体。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述背电极(12)的材料为铂电极、金电极、铟镓电极、铜电极中的任意一种。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述放射源(2)包括放射源衬底材料层(21)和能够发射出衰变粒子的放射性同位素源(22)，所述放射性同位素源(22)设置在所述放射源(2)的靠近所述石墨烯层(14)的一侧，所述放射源衬底材料层(21)设置在所述放射源(2)的远离所述石墨烯层(14)的一侧。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述放射源衬底材料层(21)选用能够耦合或吸附所述放射性同位素源(22)的材料。
8.根据权利要求6所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述放射性同位素源(22)为β放射性同位素源或α放射性同位素源。
9.根据权利要求1或2或3所述的基于石墨烯的异质结同位素电池，其特征在于：所述石墨烯异质结能量转换结构(1)与所述放射源(2)组成一个电池单元，多个所述电池单元通过串联或并联或多层垛堞的方式进行对接封装。
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