[0001] 本发明属于核能应用技术领域，具体涉及到基于90Sr90Y源的β辐射伏特光伏双效应核电池。

[0002] 目前，微机电系统在深海探测、深空探测以及生物医疗等领域应用广泛，而核电池也因为其寿命长，抗干扰能力强，体积小，易于集成化和微型化等优点被认为是微机电系统的理想电源。

[0003] 核电池也称放射性同位素电池、同位素电池，是利用放射性同位素衰变过程中放出的能量或由它们引起的热效应、光效应或电离作用等并将其转换为电能的一种装置。在核电池的发展过程中，核电池放射源的选择，换能器件材料的选择以及结构的优化等受到147 3 63
了广泛的研究。其中，放射源主要由最初的放射源 Pm发展到放射源 H、放射源 Ni、放射
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源 S、放射源 Sr/ Y等；在半导体材料的选择上，从成本低廉、工艺简单成熟、掺杂浓度技术完善、质量优良的单晶硅发展到多晶硅、不定型硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化锌、金刚石等。在过去的几年里，钙钛矿材料的使用不仅对太阳能电池效率的快速进步，同时也对核电池效率的提高做出了贡献。

[0004] 虽然在目前核电池的应用中，一般选用放射源3H、放射源63Ni以及放射源90Sr/90Y，3 63
但是放射源H、放射源 Ni两种放射源的最大能量和平均能量都较低，在目前的研究中，为了更好的利用放射源的衰变能，在对核电池的设计中，一般选择将放射源的衰变能基本上
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沉积于换能器件中；而放射源 Sr/ Y的活度密度和平均衰变能量过大，若将其衰变能完全沉积在半导体转换装置中，则需要将换能器件做的特别厚，不仅增加了核电池的制作成本，同时也无益于核电池输出性能的增加；若不将其衰变能完全沉积在半导体的转换装置中，
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则会导致对放射源 Sr/ Y衰变能的利用率很低，虽然该放射源的平均衰变能量远远高于H
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源和 Ni源，但对核电池的输出性能并没有很大的提升。

[0040] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0041] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0042] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

[0043] 实施例1

[0044] 基于90Sr/90Y源的β辐射伏特/光伏双效应核电池的结构示意图参见图1，其中，[0045] 100为放射源90Sr/90Y，200为Al电极，300为钙钛矿层，400为透明电极，500为闪烁体层，600为反射层，700为负载，800为导线1，900为导线2；

[0046] 其中，放射源90Sr/90Y层(100)中的90Sr/90Y源发射出的β粒子穿过Al电极(200)后，一部分沉积到钙钛矿层(300)中，另一部分由于强度太强，穿透钙钛矿层(300)以及透明电极层(400)，进入闪烁体层(500)中；

[0047] 闪烁体层(500)将β粒子的辐射能转换成光能，经过反射层(600)反射回来，重新射入钙钛矿层(300)，并将能量沉积在钙钛矿(300)中，形成电子‑空穴对，在内建电场的作用下形成电流。

[0048] 在高能β粒子核电池的研究中，由于放射源的平均衰变能量以及表面出射活度较大，导致所制作的核电池要么不能有效利用放射源的衰变能，要么不能有效提高核电池的衰变能；在低能β粒子核电池的研究中，一般选择将放射源的衰变能几乎完全沉积在换能器件中；

[0049] 而本发明将β辐射伏特效应与光生伏特效应相结合，对于高能放射源来说，既有效提高了核电池的输出性能，又有效利用了高能放射源的衰变能；对于低能放射源来讲，在低能放射源所对应的核电池的设计中，可以不将放射源的衰变能完全沉积在换能器件中作为首要考虑条件，通过利用光生伏特效应在降低核电池厚度的前提下还能有效利用放射源的衰变能。

[0050] 实施例2

[0051] 本发明以表面出射活度为200mci/cm2的90Sr/90Y源为例，通过MCNP与COMSOL两个软件对核电池的输出性能进行理论模拟，得到优化后的电池各层的参数。本发明得到的优化结果如下：

[0052] 所述放射源为表面出射活度为200mci/cm2的长方形固态放射源90Sr/90Y；

[0053] 所述铝电极为金属电极，厚度约为0.1～50nm，主要目的是为了形成良好的欧姆接触；

[0054] 所述钙钛矿层的厚度一般为160～180um，将放射源放出粒子的部分衰变能以及经过反射层反射回来的光能沉积在该层中，形成电子‑空穴对，并在内建电场的作用下分离，被正负电极收集形成电流。而之所以选用钙钛矿作为换能器件的半导体材料是因为钙钛矿具有更宽的禁带宽度，宽禁带宽度半导体具有抗辐射能力强，载流子迁移率高等特点；

[0055] 所述透明电极(一般选用ITO)，厚度选为130nm左右，通过闪烁体层实现辐致光伏效应转换之后的光子经过反射层的反射之后重新摄入钙钛矿中；

[0056] 所述闪烁体层的材料为铈掺杂的LYSO陶瓷，厚度约为7500nm，之所以选择铈掺杂的LYSO陶瓷作为闪烁体层的材料，是因为铈掺杂的LYSO陶瓷作为荧光材料可以实现辐致光伏效应的转换，同时LYSO闪烁晶体在空气中良好的稳定性可以保证电池稳定的工作；

[0057] 所述反射层为厚度约10um的镀银的热塑性PET薄膜，将由闪烁体转换出的光子重新反射回钙钛矿层中，使更高的能量沉积在钙钛矿层中，从而使核电池具有更好的输出性能；

[0058] 综上所述，本发明基于90Sr/90Y源的β辐射伏特光伏双效应核电池，将高能放射源所放出的β粒子一部分沉积于钙钛矿层中，而另一部分透过钙钛矿层的高能β粒子通过闪烁体层转化为光子，并通过反射层反射回钙钛矿层，使更多的能量沉积于钙钛矿层中，导致高能核电池具有更高的输出性能，同时更好的利用高能放射源的衰变能。

[0059] 实施例3

[0060] 本实施例为基于90Sr/90Y源的β辐射伏特/光伏双效应核电池，具体制作方式如下：

[0061] (1)制备反射膜

[0062] 先将120um厚的白色聚酯膜层和10um厚的透明聚酯膜通过热复合工艺(热复合工艺是一种材料加工工艺，主要设计将两种及以上不同的材料通过加热以及加压的方式形成一个整体；主要步骤为：首先，对原材料进行预处理，确保原材料表面的干净；其次，对预处理后的材料进行加热，使其软化，在压力机的作用下，材料会由于受热而产生的塑性形变从而紧密的结合在一起；最后，复合完成后，将材料冷却到室温并固定形状)形成的聚酯膜层；

[0063] 再在该聚酯膜层上通过热复合工艺形成1um厚的丙烯酸树脂膜层；

[0064] 在丙烯酸树脂膜层上通过热复合工艺形成100nm厚的银反射膜底膜(以PET系树脂所制成的多层膜结构)和10um厚的热塑性PET薄膜，获得的材料即为镀银的反射膜。

[0065] (2)制备铈掺杂的LYSO陶瓷材料即闪烁体

[0066] 1)将LuCl3·6H2O(99.99％)、YCl3·6H2O(99.99％)、CeCl3·7H2O(99.9％)和正硅酸四乙酯(TEOS,AR)以Ce0.02(Lu0.9Y0.1)1.98SiO5的化学比分散在异丙醇(AR)中，获得混合溶液；

[0067] 2)按照环氧丙烷(PPO,AR)与上述混合溶液中稀土元素摩尔比为1：20的比例，向上述混合溶液中加入相应用量的环氧丙烷(PPO,AR)，以500r/m的搅拌转速搅拌24h，得到凝胶；

[0068] 3)将上述获得的凝胶在80℃的空气中干燥24小时，获得LYSO：Ce前驱体；

[0069] 4)将获得的LYSO：Ce前驱体在1000℃空气中煅烧2小时，随后将其装入石墨模具(比如4gLYSO：Ce粉末装入直径为18.75mm的石墨模具中)中，然后用石墨箔和BN涂层将LYSO:Ce粉末从石墨模具中分离出来，并将其于等离子烧结炉中烧结升温速率为50℃/min，加载压力为100MPa，在1050℃‑1200℃中停留15分钟，得到LYSO：Ce陶瓷。

[0070] (3)制备钙钛矿与透明电极

[0071] 1)蒸镀化学通式为BX2(如MnO2)的化合物形成骨架层；

[0072] 在骨架层上旋涂(通过配料，高速旋转，挥发成膜三个步骤将液态涂覆材料涂覆在基片上，均为常规技术方案)化学通式为AX(如LaO)的化合物，经退火结晶(将上述器件加热至结晶温度以上，经过一段时间后冷却，使工艺再次结晶，常规技术方案)形成钙钛矿层。

[0073] 2)首先采用光刻法在钙钛矿层表面刻蚀光刻胶，并利用显影区制备欧姆接触；然后，采用磁控溅射法在外延芯片上生长厚度为130nm的ITO薄膜作为正电极。

[0074] 3)通过Lift‑off工艺去除非图形电极材料；

[0075] 然后，利用化学机械平面化系统将基底厚度减小到170um；

[0076] 最后，将厚度为50nm的Al薄膜生长为金属电极，然后进行金属化退火；即首先将其升温至900℃‑1000℃，然后进行冷却，形成钙钛矿层及两面电极。

[0077] 对比例1

[0078] 在实施例3的条件下，不设置反射层，其他条件均同实施例3。

[0079] 将实施例3和对比例1制得的电池分别在暗室以及30mci的90Sr/90Y源的辐照两种情况下，使用CHI6040D电化学化学仪测量其输出性能(即开路电压与短路电流)，测量发现，在放射源的辐照下实施例3的开路电压约为0.877V，短路电流密度约为3.732μA/cm2，而对比例1的开路电压约为0.679V，短路电流密度约为2.712μA/cm2，经过对比发现，实施例3中的效果更佳。之所以对比例1的输出性能没有实施例3的输出性能好，是因为去掉发明中所提到的反射层之后，虽然部分β粒子经过闪烁体转化为了光子，但是由于没有反射层的存在，所以只是透过闪烁体出去了，对于核电池整体性能的提高没有任何作用。

[0080] 本发明放射源90Sr/90Y层中的90Sr/90Y源发射出的β粒子穿过Al电极后，一部分沉积到钙钛矿层中，另一部分由于强度太强，穿透钙钛矿层以及透明电极层，进入闪烁体层中；

[0081] 闪烁体层将β粒子的辐射能转换成光能，经过反射层反射回来，重新射入钙钛矿层，并将能量沉积在钙钛矿中，形成电子‑空穴对，在内建电场的作用下形成电流。

[0082] 本发明提供了一种基于90Sr/90Y源的β辐射伏特/光伏双效应核电池，90Sr/90Y源的平均衰变能量与表面出射活度过大导致以该放射源所制作的核电池具有更高的总功率输90 90
入，但是一般的换能器件既不能很好的提高核电池的输出性能也不能有效的利用 Sr/ Y源的衰变能，本发明将β辐射伏特效应与光生伏特效应结合起来，在提高核电池的输出性能的同时，又更好的利用了高能放射源的衰变能。

[0083] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的范围当中。