本發(fā)明屬于同位素電池或原子電池領(lǐng)域，具體涉及一種伽馬光伏同位素電池。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)特別是移動設(shè)備和微機電系統(tǒng)(mems)的迅猛發(fā)展，要求其電源具有低功率、長壽命、高可靠性和體積微小的特點，才能滿足在諸如微型管道機器人、植入式微系統(tǒng)、無線傳感器、人工心臟起搏器、便攜式移動電子產(chǎn)品領(lǐng)域、太空或深海無人探測器等高端領(lǐng)域的供電需求。

一種滿足上述需求的微型電池是輻射伏特同位素電池，其是采用能天然發(fā)出β射線的β同位素源與具有pn結(jié)或pin結(jié)的半導(dǎo)體材料相復(fù)合，其中β射線轟擊半導(dǎo)體材料時產(chǎn)生電子-空穴對，電子和空穴在pn結(jié)內(nèi)建電場的作用下分別匯集到半導(dǎo)體材料的n區(qū)和p區(qū)，分別形成電池的負(fù)極和正極，可對外供電。這類輻射伏特同位素電池為追求高輸出電壓或電流，通常要求β射線具有高能量，例如通常采用的輻射源如下：⁶³ni，其發(fā)出的β射線的平均能量為17.42kev；¹⁴⁷pm，其發(fā)出的β射線的平均能量為61.93kev；¹³⁷ce，其發(fā)出的β射線的平均能量為187.1kev；⁹⁰sr，其發(fā)出的β射線的平均能量為195.8kev；高能β射線往往會損害半導(dǎo)體材料的晶格，造成半導(dǎo)體材料失效，導(dǎo)致這類輻射伏特同位素電池的壽命難以持久。

為減少對半導(dǎo)體晶格的損害，已經(jīng)有人們建議將β輻射源改為氚，即³h，其發(fā)出的β射線的能量為5.69kev，但氚以氚氣或重水等流體形式使用時，給電池的密封帶來困難，稍有不慎會導(dǎo)致放射源的泄露，導(dǎo)致安全問題。也有人提出用金屬氚化物的方式來使用氚，但這樣的話，放射源中的氚含量過低，使得電池的輸出電壓和電流都非常微弱，難以實用。

另外，由于單個輻射伏特同位素電池的輸出電壓或電流相對微弱，必須將多個單個輻射伏特同位素電池串聯(lián)或并聯(lián)使用才能給外部負(fù)載有效供電，然而其所使用的半導(dǎo)體材料是剛性的，因此只能采用一層一層堆疊的方式來實現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，這使得電池的組裝方式受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種伽馬光伏同位素電池，其包括依次貼合的以下三層：

a、低能伽馬同位素源層，其能發(fā)射出能量小于20kev的低能伽馬射線；

b、閃爍體層，其選自：

b1、柔性有機閃爍體層；或

b2、剛性閃爍體層；

c、光伏半導(dǎo)體層；

其中各層的厚度均小于0.2mm。

其中所述閃爍體層是任何能在伽馬射線照射下發(fā)出熒光(波長220-480nm)的物質(zhì)所構(gòu)成的曾狀物。

其中所述光伏半導(dǎo)體層是指任何能將熒光轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體層。

優(yōu)選地，所述柔性有機閃爍體層是蒽、茋或萘在柔性塑料中的固溶體；所述剛性閃爍體層包含選自nai:tl、baf2、bi4ce3o12、lu2sio5:ce、lu1.8y0.2sio5:ce或labr3:ce的閃爍晶體；所述光伏半導(dǎo)體層選自非晶硅半導(dǎo)體、微晶硅半導(dǎo)體、cds、cdte、cuinse2、色素敏化染料、銅銦硒化物、砷化鎵、碲化鎘或銻化鎘類半導(dǎo)體材料。這些閃爍體和光伏半導(dǎo)體層都是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。

優(yōu)選地，各層厚度均小于0.1mm。

上述各層可以都是剛性層，也可以都是柔性層。優(yōu)選都是柔性層。

優(yōu)選地，其中所述低能伽馬同位素源是⁵⁵fe。

優(yōu)選地，所述低能伽馬同位素源層是通過在柔性基質(zhì)上涂覆有⁵⁵fe而制成的柔性膜；且所述光伏半導(dǎo)體層也呈柔性膜狀。其中將⁵⁵fe涂覆到柔性基質(zhì)上去的方法可以采用電鍍法、濺射沉積法、化學(xué)氣相沉積法或粉末涂覆法等。

上述閃爍體層的作用是將伽馬射線轉(zhuǎn)化成熒光，熒光波長一般在220-480nm范圍內(nèi)，優(yōu)選在300-400nm范圍內(nèi)。閃爍體的上述作用是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，不再贅述。閃爍體可分為無機閃爍體和有機閃爍體兩大類。

無機閃爍體一般是指含有少量其它種晶體(激活劑)的無機鹽晶體。雖然用純無機鹽晶體也可作為閃爍體，但加了激活劑后能明顯提高發(fā)光效率。本領(lǐng)域為表達(dá)方便起見，通常將這種被摻雜的激活劑與無機鹽晶體母體并列并用分號隔開，例如nai：tl表示摻雜了鉈的碘化鈉晶體，lu2sio5:ce表示摻雜了鈰的硅酸镥晶體，lu1.8y0.2sio5:ce表示摻雜了鈰的硅酸镥釔晶體，等等。

有機閃爍體大多屬于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香族碳?xì)浠衔?，?yōu)選蒽(c14h10)。有機閃爍體的發(fā)光機制主要由于分子本身從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的躍遷。有機閃爍體又可分為有機晶體閃爍體、液體閃爍體和塑料閃爍體。有機晶體主要有蒽、茋、萘等，具有比較高的熒光效率，但體積不易做得很大。液體閃爍體和塑料閃爍體可看作是一個類型，都是由溶劑、溶質(zhì)和波長轉(zhuǎn)換劑三部分組成，所不同的只是塑料閃爍體的溶劑在常溫下為固態(tài)。液體和塑料閃爍體還有易于制成各種不同形狀和大小的優(yōu)點。塑料閃爍體還可以制成光導(dǎo)纖維或大面積薄膜。

必須指出，即便上述低能伽馬同位素源層和光伏半導(dǎo)體層都是柔性膜時，所述閃爍體層也可以選自剛性閃爍體層，這時其將呈由多個閃爍晶體片條平行排列而構(gòu)成的簡牘狀。這樣做的好處是即便使用剛性閃爍體層時也能很容易地將該閃爍體層卷成一卷使用，如同造紙術(shù)發(fā)明之前中國人的竹簡書籍一樣，多片剛性竹簡平行排列制成簡牘后，同樣能很方便地卷曲成一卷。這樣的設(shè)計使得本發(fā)明可以方便地使用商業(yè)化的剛性閃爍晶體片條。

優(yōu)選地，所述伽馬同位素光伏電池呈長條形式，并將所述長條卷成一卷。這樣便于制成大面積的伽馬光伏同位素電池后將其卷成一卷使用，以將其緊湊地容納在非常小的圓柱形容器內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明與傳統(tǒng)的輻射伏特同位素電池的能量轉(zhuǎn)換途徑完全不同。傳統(tǒng)輻射伏特同位素電池是用β射線直接轟擊半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電能，即利用輻射伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能，其能量轉(zhuǎn)換途徑為輻射能β射線→電能。本發(fā)明則是用由同位素(如⁵⁵fe-55，其發(fā)射5.9kev低能伽馬射線)自然衰變所釋放出的低能伽馬光子通過閃爍體，將伽馬光子轉(zhuǎn)變成熒光，實現(xiàn)光子數(shù)量幾千倍的放大，然后再由光伏半導(dǎo)體薄膜通過光伏效應(yīng)將熒光轉(zhuǎn)變成電能。其能量轉(zhuǎn)變途徑為：輻射能伽馬射線→熒光(實現(xiàn)光子數(shù)目幾千倍的放大)→電能。

2、本發(fā)明首次采用能發(fā)射出能量小于20kev的低能伽馬射線的低能伽馬同位素源層(例如⁵⁵fe)，其不發(fā)射出β射線，而是發(fā)射出平均能量為5.9kev的低能伽馬射線。本質(zhì)上講，β射線就是電子流，電子因具有質(zhì)量，故高速電子具有動能，半導(dǎo)體晶格在長時間受到高速電子流轟擊時會因吸收該動能而導(dǎo)致晶格受損，這是輻射伏特同位素電池中半導(dǎo)體受損的根本原因。而本發(fā)明中，伽馬射線及其照射閃爍體后所發(fā)出的熒光，本質(zhì)上均為光子，其不具有質(zhì)量，故對半導(dǎo)體晶格沒有轟擊碰撞作用，從根本上避免了對半導(dǎo)體晶格的損害。

3、由于使用低能伽馬同位素源，使得所需要的閃爍體層也可以足夠的薄，以便有效擴展其面積并設(shè)計出合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)得以大面積的使用；同時輻射防護(hù)的難度大大降低，使得本發(fā)明的伽馬光伏同位素電池極為容易地做到?jīng)]有任何輻射泄漏(電池本身做到絕對安全)。

4、電池空間結(jié)構(gòu)特征上，其厚度很小，通常三層總厚度不超過0.6mm，優(yōu)選不超過0.3mm，但其面積可以做得很大，并且本發(fā)明通過將各層設(shè)計成柔性層，使得本發(fā)明能夠以卷曲的方式進(jìn)行有效擴展(例如電池本身呈長條狀，例如長寬厚尺寸為1000mm*10mm*0.3mm，在使用時卷成一卷，既有效放大了使用面積，又使得成品電池結(jié)構(gòu)緊湊，總體積很小)，電池有效面積擴展數(shù)百倍，電池容量得以增加數(shù)百倍，達(dá)到數(shù)十微瓦級。相對于傳統(tǒng)輻射伏特同位素電池的剛性片層堆疊結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的這種柔性卷曲結(jié)構(gòu)提供了更靈活的組裝方式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的伽馬光伏同位素電池的各層結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。

實施例1

低能伽馬同位素源層是其上涂覆有⁵⁵fe的聚乙烯薄膜，閃爍體層是10wt％蒽分散在聚苯乙烯中而制成的薄膜，光伏半導(dǎo)體層為銻化鎘半導(dǎo)體薄膜。這三者都是柔性層，厚度均為0.1mm。將三層依次貼合在一起，并制成長寬厚為1000mm*10mm*0.3mm的長條狀，其然后卷成一卷。伽馬光伏同位素電池的電流密度根據(jù)所使用的⁵⁵fe的量的不同可以為100-300na/cm²，卷成一卷后，整體對外輸出電流可達(dá)10-30μa，能夠滿足一般的mems器件或心臟起搏器的電流要求。

實施例2

低能伽馬同位素源層是其上涂覆有⁵⁵fe的聚乙烯薄膜，閃爍體層是多個lu1.8y0.2sio5:ce晶體片條平行排列成的簡牘狀結(jié)構(gòu)，光伏半導(dǎo)體層為cuinse2半導(dǎo)體薄膜。這三者都是柔性層，厚度均為0.1mm。將三層依次貼合在一起，并制成長寬厚為1000mm*10mm*0.3mm的長條狀，其然后卷成一卷。伽馬光伏同位素電池的電流密度根據(jù)所使用的⁵⁵fe的量的不同可以為100-300na/cm²，卷成一卷后，整體對外輸出電流可達(dá)10-30μa，能夠滿足一般的mems器件或心臟起搏器的電流要求。

以上實施例描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，而不是以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的范圍內(nèi)。