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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410639815.4(22)申请日 2014.11.14G21H 1/12(2006.01)(71)申请人中国工程物理研究院核物理与化学研究所地址 621999 四川省绵阳市919信箱216分箱(72)发明人刘业兵 杨玉青 罗顺忠 胡睿徐建 熊小玲 王关全 雷轶松李昊 钟正坤 魏洪源(74)专利代理机构中国工程物理研究院专利中心 51210代理人翟长明 韩志英(54) 发明名称一种复合转换同位素电池(57) 摘要本发明提供了一种复合转换同位素电池，所述的复合转换同位素电池包括PN结或PIN结或肖特基结型换能器件、辐射致发光材料、加。
2、载放射源和上电极下电极；加载放射源、辐射致发光材料以及换能器件由上至下以三明治方式结构叠加构成；上电极和下电极分别位于换能器件两极。本发明的复合转换同位素电池可基于多种常规辐射伏特同位素电池换能器件，加载中高能射线同位素作为电池加载源，避免常规换能器件在高能射线下辐射损伤的同时获得更高的输出功率密度。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图2页(10)申请公布号 CN 104409127 A(43)申请公布日 2015.03.11CN 104409127 A1/1页21.一种复合转换同位素电池，其特征在于：所述的复合转换同位。
3、素电池包括PN结或PIN结或肖特基结型换能器件(1)、辐射致发光材料(2)、加载放射源(3)、电池上电极（4）、电池下电极（5）；加载放射源（3）、辐射致发光材料（2）以及换能器件（1）由上至下以三明治方式结构叠加构成；电池上电极（4）和电池下电极（5）分别位于换能器件（1）两极。2.根据权利要求1所述的复合转换同位素电池，其特征在于：以结型换能器件（1）、辐射致发光材料（2）和加载放射源（3）组成的基本结构和以两组辐射致发光材料（2）、换能器件（1）以三明治式结构夹心共用加载放射源（3）结构以及采用三维立体辐射致发光材料（2）封装加载放射源（3）并在辐射致发光材料立方体表面布置换能器件（1）。
4、的三维立体结构。3.根据权利要求1所述的复合转换同位素电池，其特征在于：所述换能器件（1）为单晶硅或外延硅基或GaAs半导体材料的PN结、PIN结或肖特基结型二极管。4.根据权利要求1所述的复合转换同位素电池，其特征在于：所述加载放射源（3）的同位素为90Sr-90Y、147Pm、201TI和63Ni中高能核素。5.根据权利要求1所述的复合转换同位素电池，其特征在于：所述辐射致发光材料为无机掺杂材料或有机大环化合物以及塑料闪烁体。6.根据权利要求5所述的复合转换同位素电池，其特征在于：所述无机掺杂材料为掺杂ZnS或铕、铽、钕稀土元素掺杂的硅酸盐、铝酸盐和Y2O3陶瓷或玻璃以及Cu掺杂玻璃；无机。
5、掺杂材料的厚度由所选择的加载同位素射线能量和换能器件所选半导体材料确定。7.根据权利要求5所述的复合转换同位素电池，其特征在于：所述有机大环化合物为苯环化合物和杂环化合物。权 利 要 求 书CN 104409127 A1/3页3一种复合转换同位素电池技术领域0001 本发明涉及一种微小型同位素电池，尤其涉及一种复合转换同位素电池，属于微能源领域。背景技术0002 同位素电池是通过利用放射性同位素的衰变能经换能单元转换成电能的一种供能装置。由于同位素电池由于具有结构紧凑，小尺寸、长寿命、可靠性高和免维护等优特点，可望用于植入式微系统、无线传感器节点网络后备电源以及人工心脏起搏器和便携式以及深海深。
6、空等需更换不便的长期供电设备。目前，有10余种转换机制的同位素，其中热温差（RTG）电池在航天和心脏起搏器等方面已有所应用，但RTG微型化较为困难，在微型化后，其转换效率极低；而辐射致光-光伏间接转换和辐射伏特直接转换机制的同位素电池，由于采用了半导体换能器件，在微型化方面具有独特的优势。0003 Bower, K. E.等人在Polymers phosphors and voltaics for radioisotope microbatteries（crc press bocaroton London New York Washington, D.C. .2002）中提出了采用金属硫化物涂。
7、层将装载的氚气衰变的射线转换成光能，然后再利用光伏转换最终实现将衰变能转换成电能。采用辐射致光-光伏转换的间接转换同位素电池，在辐射致光部分，可以减小低能射线的自吸收，提高射线的利用率，但由于采用二次转换，其总转换效率较低。0004 在辐射伏特同位素电池方面，自从L.C. Olsen等在上世纪70年代研制了基于辐射伏特效应的Betacel原型辐伏同位素电池之后，不少科研单位和专利利用各种改进技术，以提高辐伏同位素电池的转换效率和输出功率。包括BetaBatt公司以及美国专利US7939986B2等提出了采用三维多孔器件作为换能器件改进措施；乔大勇等人在专利具有保护环结构的微型核电池及其制作方法。
8、（专利号CN101599308A）中提出采用保护环结构，以抑制表面漏电流，降低暗电流的改进措施；以及刘云鹏等人在专利外延硅基PIN结微型同位素电池及其制备方法（专利号CN102522136A）中提出的减小内阻等措施。0005 但是，无论是辐射致光-光伏间接转换还是辐伏直接转换的同位素电池，目前其输出功率密度较小，离实际应用还有较大距离。已有研究表明，电池转换效率随输入功率密度增加而近似成指数上升，同时输出功率也成倍上升。因此，提高同位素电池输出功率密度除上述换能器件改进措施以提高转换效率外，另一条途径为包括增加放射源加载量和采用高能射线作为加载源等增大输入功率密度。依靠增加放射源加载量的方法会。
9、因增加低能放射源的自吸收而降低射线的有效利用率，并且增加有一饱和值；采用中高能射线作为加载源则不能直接作用于辐伏电池换能器件，其原因在于当射线能量大于一阈值时（如对单晶硅，该阈值为200keV）,射线会对同位素电池换能器件的半导体产生辐射损伤，从而导致其转换性能在短期内急剧下降甚至失效。发明内容说 明 书CN 104409127 A2/3页40006 为克服上述同位素电输出功率密度小，解决辐射伏特同位素电池提高输出功率与由此而产生的辐射损伤矛盾，本发明提供了一种复合转换同位素电池。0007 本发明的复合转换同位素电池，包括PN结或PIN结或肖特基结型换能器件、辐射致发光材料、加载放射源、电池上。
10、电极、电池下电极。加载放射源、辐射致发光材料以及换能器件由上至下以三明治方式结构叠加构成；电池上电极、电池下电极分别位于结型换能器件两极。0008 以结型换能器件、辐射致发光材料和加载放射源组成的基本结构和以两组辐射致发光材料、换能器件以三明治式结构夹心共用加载放射源结构以及采用三维立体辐射致发光材料封装加载放射源并在辐射致发光材料立方体表面布置换能器件的三维立体结构。0009 所述换能器件为单晶硅或外延硅基或GaAs半导体材料的PN结、PIN结或肖特基结型二极管。0010 所述加载放射源的同位素为90Sr-90Y、147Pm、201TI和63Ni中高能核素，放射源以电镀或粉末冶金陶瓷方式制备。
11、。0011 所述辐射致发光材料为无机掺杂材料或有机大环化合物以及塑料闪烁体。0012 所述无机掺杂材料为掺杂ZnS或铕、铽、钕稀土元素掺杂的硅酸盐、铝酸盐和Y2O3陶瓷或玻璃以及Cu掺杂玻璃；无机掺杂材料的厚度由所选择的加载同位素射线能量和换能器件所选半导体材料确定。0013 所述有机大环化合物为苯环化合物和杂环化合物。0014 本发明的有益效果是：充分利用辐射伏特效应同位素电池换能器件既具备辐射伏特转换，同时还具备光电转换的特性，采用辐射致光光伏间接转换和辐射伏特转换相结合的复合转换机制，在不改变换能器件材料（如传统硅基换能器件）、结构和参数情况下，利用辐射致发光材料的耐辐照性能，加载中、高。
12、能核素，通过复合转换机制综合利用射线将其转换成电能，使得该同位素电池较辐射伏特同位素电池获得更大的输出功率密度；同时，加载放射源的同位素选择范围更广；电池稳定性和可靠性更高。0015 附图说明图1是本发明的复合转换同位素电池基本原理结构示意图；图2是两组复合转换同位素电池以夹心式共用加载放射源结构示意图；图3是三维立体包围共用加载放射源式复合转换同位素电池结构示意图；图中，1.换能器件2.辐射致发光材料3.加载放射源4.电池上电极5.电池下电极。具体实施方式0016 下面结合附图和实施例对本发明的复合转换同位素电池结构及其制作方法做进一步说明。0017 实施例1：图1中，换能器件1为热扩散制备。
13、的单晶硅PN结型二极管，其基层厚度为250m，结深0.5m，基层掺杂浓度为31015cm-3；辐射致发光材料2为4%铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷片，厚度为5mm；加载放射源3为电镀147Pm放射源；电池上电极4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。0018 复合同位素电池的工作过程为：147Pm放射源射线在穿过辐射致发光材料2铕掺说 明 书CN 104409127 A3/3页5杂的硅酸盐透明陶瓷片时，能谱中低能部分将其全部能量沉积在辐射致发光材料中，并在该过程中通过激发辐射致发光材料产生荧光，将沉积的能量部分转化成光能；能谱中中能射线一部分能量沉积在辐射致发光陶瓷材料中也产生光能，同时使中能。
14、射线在穿过辐射致发光材料后变成能量较低的射线。辐射致发光材料发出的光通过PN结型换能器件的光电效应转换成电能；穿透辐射致发光材料后的能量较低的射线通过PN结型换能器件的辐射伏特效应转换成电能。换能器件1通过复合转换的电能通过换能器件的上电池电极4和电池下电极5对外输出电能。0019 实施例2：图2中，换能器件1为热扩散制备的外延硅基PN结型二极管，其外延层厚度为40m，结深0.5m，外延层掺杂浓度为11016cm-3；辐射致发光材料2为4%铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷片，厚度为10mm；加载放射源3为化学沉积法制备的90Sr-90Y陶瓷放射源；电池上电极4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。
15、。0020 该复合同位素电池的工作过程为：与实例1相似，90Sr-90Y放射源射线在穿过辐射致发光材料2铕掺杂的硅酸盐透明陶瓷片时，射线中部分能量沉积在辐射致发光材料中产生光能；部分射线能量降低后穿过辐射致发光材料。该过程产生的光能和穿透辐射致光后能量较低的射线经PN结型换能器件的复合转换成电能，并通过电池上电极4和电池下电极5向外输出电能。在该过程中，辐射致发光材料在用作产生光能的同时还用作高能射线屏蔽作用，避免高能射线直接对硅基PN结型换能器件照射产生照损伤。0021 在加载放射源3 90Sr-90Y陶瓷放射源两侧放置辐射致发光材料后再放置PN结型换能器件，即两组辐射致发光材料和PN结型换。
16、能器件以夹心式结构共用加载放射源3，以充分利用高能加载放射源的4发射，提高射线利用率，从而提高总转换效率。上下两电池采用串联方式，以获得相对较高的开路电压。0022 实施例3：图3中，换能器件1为热扩散制备的外延硅基PN结型二极管，其外延层厚度为40m，结深0.5m，外延层掺杂浓度为11016cm-3；辐射致发光材料2为塑料闪烁体，壁厚为20mm；加载放射源3为粉末冶金法制备的90Sr-90Y陶瓷源，尺寸为10mm10mm10mm的立方体；电池上电极4和电池下电极5均为1微米厚的Ti/Ni/Au。0023 该复合同位素电池的工作过程与实例2相同，加载放射源3 90Sr-90Y陶瓷放射源被塑料闪烁体四周立体封装，并在塑料闪烁体立方的6面放置PN结型换能器件，以全方位的利用高能加载放射源的4发射。6个面上的换能器件采用并联方式，以获得更大的短路电流。说 明 书CN 104409127 A1/2页6图1图2说 明 书 附 图CN 104409127 A2/2页7图3说 明 书 附 图CN 104409127 A。