羅順忠,王關(guān)全,張華明

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900)

放射性同位素電池(RIB)是將放射性同位素(RI)的衰變能通過一定的能量轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N供能裝置。由于RI的衰變過程不受環(huán)境影響,其能量釋放過程穩(wěn)定、可靠且具有高能量密度,因此與其他供能裝置如化學電池、燃料電池、太陽能電池相比,RIB具有以下獨特的優(yōu)勢:1)使用壽命長,RIB設計壽命取決于所用RI的半衰期,可達數(shù)年至數(shù)十年;2)功率密度大,所選RI不同,其輸出電流能量密度可達化學電源的數(shù)百到數(shù)千倍,因此在實現(xiàn)相同功率的情況下可以做到更小的電池質(zhì)量和體積;3)不受外界環(huán)境影響,不需要提供外部能量輸入,在其服役期間可長期穩(wěn)定供電而無需維護和更換。

RIB最早由英國物理學家Henry Mosley于1913年提出,其轉(zhuǎn)換機制為直接收集機制。由于該電池電流極弱(10-11A)、電壓極高(150 k V),在當時幾乎沒有實際用處,在之后的30多年里同位素電池的研究沒有引起人們的關(guān)注。直到20世紀50年代,美國和前蘇聯(lián)兩國的競爭領(lǐng)域由常規(guī)陸地向海洋、空間擴展,在這些特殊的環(huán)境中需要功率密度大、長期運行不需要維護和更換、穩(wěn)定可靠的電源,已有的化學電池、燃料電池、太陽能電池均不能滿足應用的需求。同位素電池以其適合的特性引起了兩國研究人員的關(guān)注,此后其研制進入了快速發(fā)展期。RIB的衰變能-電能轉(zhuǎn)換機制到目前為止已發(fā)展到10余種,根據(jù)衰變能的利用方式不同,可將RIB轉(zhuǎn)換機制分為兩大類:一類是將RI的衰變能所釋放出的熱量轉(zhuǎn)換為電能,即熱電轉(zhuǎn)換機制,其中溫差熱電轉(zhuǎn)換電池RTG是該類RIB的代表;第二類是將RI的輻射粒子(α、β、γ)直接或間接轉(zhuǎn)換為電能,其中輻射伏特效應同位素電池(RVIB)是該類RIB的代表。

RIB主要能量轉(zhuǎn)換機制分類示于圖1。對于熱電轉(zhuǎn)換機制有靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式和動態(tài)轉(zhuǎn)換方式兩種。靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式包括溫差熱電轉(zhuǎn)換機制(對應的發(fā)電裝置即RTG)、熱離子發(fā)射機制、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換機制(Alkali Metal Thermal to E-lectric Conversion,AMTEC)以及熱致光伏特效應機制等。RTG的原理類似于半導體熱電偶中的熱電轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換效率約為5%,隨著新型高效熱電材料的出現(xiàn),可將轉(zhuǎn)換效率提高至10%;熱離子發(fā)射機制則是通過熱電極發(fā)射熱離子,在充有銫等金屬蒸汽的氣氛中實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換效率一般為8%,最高可達18%;AMTEC是以β氧化鋁固體電解質(zhì)(Beta Alumina Solid E-lectrolyte-BASE)為離子選擇性滲透膜,以堿金屬為工作介質(zhì)的熱電能量直接轉(zhuǎn)換器件,目前制作成功的只有效率較低的鈉介質(zhì)AMTEC,若以鉀為工作介質(zhì)其理論轉(zhuǎn)換效率可達30%;熱致光伏特效應則是利用RI衰變能所釋放出的熱量致光,再利用光伏效應產(chǎn)生電流的間接轉(zhuǎn)換方式,其理論轉(zhuǎn)換效率約為20%～30%。動態(tài)轉(zhuǎn)換方式主要有布雷頓循環(huán)、蘭·金循環(huán)、斯特林循環(huán)等,這三種循環(huán)都是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能,再由機械能轉(zhuǎn)換為電能。在布雷頓循環(huán)中所采用的載熱物質(zhì)為惰性氣體(如氖或氬),惰性氣體經(jīng)加熱推動渦輪機,再帶動發(fā)電機發(fā)電實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換;蘭·金循環(huán)的載熱物質(zhì)一般為液態(tài)金屬(如汞或堿金屬)或有機物質(zhì),經(jīng)加熱液態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?推動渦輪機從而帶動發(fā)電機;斯特林循環(huán)特點是不通過渦輪機,而是采用往復式的可逆引擎發(fā)電。動態(tài)轉(zhuǎn)換方式理論上可獲得的效率(可達40%)高于靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式,然而其工程化應用仍存在以下三方面的瓶頸問題:一是高效率要求高的熱端溫度和低的廢熱排放溫度,而低的廢熱排放溫度導致輻射散熱面積增大;二是高速運轉(zhuǎn)部件的潤滑;三是高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣性矢量對系統(tǒng)(如航天器)穩(wěn)定性的影響。NPS(Nu-clear Power System)到目前為止公開報道在航天領(lǐng)域中應用的都是基于靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式的RIB。

圖1 RIB主要能量轉(zhuǎn)換機制分類

利用RI射線粒子的轉(zhuǎn)換機制主要有直接收集、輻射伏特效應(對應的發(fā)電裝置即RVIB)、壓電懸臂梁、射線致熒光伏特效應、磁約束下粒子電磁輻射收集機制、衰變能耦合LC振蕩電路發(fā)電機制等。直接收集機制是收集極直接收集RI衰變放出的帶電粒子電荷產(chǎn)生電能;輻射伏特效應機制是利用半導體器件的內(nèi)建電場分離半導體材料在 RI放出的高能粒子作用下產(chǎn)生的電子空穴對,從而產(chǎn)生電流;壓電懸臂梁機制是利用微懸臂梁收集并累積RI放出的帶電粒子,在靜電作用下周期性地與放射源接觸放電,這個過程伴隨著微懸臂梁的周期性形變,該形變通過與之緊密貼附的壓電材料轉(zhuǎn)換成電流輸出;射線致熒光伏特效應機制是利用RI放出的粒子激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)出熒光,再在光伏效應下產(chǎn)生電流;磁約束下粒子電磁輻射收集機制是利用磁場約束RI輻射的β粒子,使其在回旋運動中將能量以電磁波形式發(fā)射出來,用金屬收集電磁波并轉(zhuǎn)換成電流輸出;衰變能耦合LC振蕩電路發(fā)電機制不直接用RI的衰變能來供能,而將其衰變能耦合進已儲能的LC振蕩電路,補償振蕩電路固有阻抗對振蕩的衰減,維持并放大LC振蕩,并通過交流變壓器給外電路供電[1-3]。

以上機制除了 RTG機制的同位素電池在美國和前蘇聯(lián)航天探測等強烈需求背景下實現(xiàn)產(chǎn)品化,用于航天器、海軍深海監(jiān)聽設備等供電外,到目前為止,其它機制尚未見成品應用的報道。

1 輻射伏特效應同位素電池(RVIB)概述

在IC和MEMS基礎上形成的具有多功能的微型系統(tǒng)(MS),是全球下一輪技術(shù)革命的關(guān)鍵。系統(tǒng)微型化后,電源裝置將決定整個微系統(tǒng)的尺寸,沒有微型化的電源裝置提供能源,MS將難以發(fā)揮其微型化的優(yōu)勢來完成其預定的功能。合適的機載電源已成為制約其發(fā)展和應用的瓶頸問題。RVIB以其獨特的優(yōu)勢可望作為MS機載電源的最佳選擇。

RVIB是直接利用RI衰變時放出的粒子(α或β)轟擊半導體材料產(chǎn)生大量電子空穴對,這些電子空穴對在半導體器件內(nèi)建電場的作用下實現(xiàn)分離,一旦接通外電路,即可輸出電流。RVIB除了具有RIB壽命長、功率密度大、不受外環(huán)境影響等特點外,還顯示出以下優(yōu)勢:1)適合制作質(zhì)量、體積微小的電池;2)易于與其他半導體元器件整合;3)不含運動部件,運行安靜穩(wěn)定;4)輸出直流電流[4-5]。

RVIB的研究起始于20世紀50年代,但由于同位素制備、半導體制造等相關(guān)技術(shù)發(fā)展滯后,很長一段時間該領(lǐng)域研究未能有所突破;上世紀90年代后期開始,在MEMS等微小系統(tǒng)機載電源需求的牽引下,加之同位素、半導體技術(shù)的發(fā)展,RVIB的研究再次受到關(guān)注,大量的研究集中在對換能單元的改進上,如新結(jié)構(gòu)、新材料、新類型半導體器件的嘗試,以增大低能同位素的有效加載量、利用率以及增強換能單元抵抗高能同位素輻射損傷的能力,從而提升RVIB的總體性能。

2 RVIB換能單元研究進展

2.1 PN結(jié)器件換能單元

換能單元的研制是決定RVIB性能的關(guān)鍵技術(shù)之一,RVIB的能量轉(zhuǎn)換效率、電輸出性能以及穩(wěn)定性等都與換能單元器件直接相關(guān)。到目前為止,涉及RVIB的研究多數(shù)以PN結(jié)器件作為其換能單元,利用PN結(jié)內(nèi)建電勢實現(xiàn)對結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對的分離。從理論上講,以PN結(jié)器件作為RVIB換能單元,其能量轉(zhuǎn)換效率最高可以達40%[1],這一直吸引著人們對以PN結(jié)器件作為換能單元的研究興趣。

2.1.1 單晶硅材料器件

單晶硅是最成熟的半導體材料,其器件已廣泛用于RVIB換能單元的研究中。早期使用的是平面型PN結(jié)器件,近年來在非平面型PN結(jié)器件方面也有不少有益的嘗試。

圖2 倒三角直槽型器件

2003年,Blanchard等[5]報道了使用單晶硅倒三角直槽型器件(圖2)為換能單元的實驗結(jié)果:以2.37×106Bq(64μCi)液態(tài)63Ni作為驅(qū)動源,在單元實驗中,短路電流 I sc=1.31 nA,開路電壓V oc=0.053 V。值得注意的是,作者在計算最大輸出功率P max和能量轉(zhuǎn)換效率η時未考慮填充因子FF(若按FF=0.6計,則Pmax=0.041 nW,η=0.60%)。同年,Guo等[6]也完成了以單晶硅倒金字塔淺多孔型器件(圖3)作為換能單元的初步研究,其結(jié)果表明,使用3.7×107Bq(1.0 mCi)液體63Ni作為驅(qū)動源,得到的電輸出參數(shù)和轉(zhuǎn)換效率分別為:I sc=2.86 nA,V oc=0.128 V,P max=0.32 nW;η=0.31%。Sun等[7]報道了對一種單晶硅三維深多孔PN結(jié)型器件(圖4)的研究結(jié)果:以氣態(tài)3H為驅(qū)動源,得到能量轉(zhuǎn)換效率η=0.22%,與相同條件下平面單晶硅器件的轉(zhuǎn)換效率 η=0.023%相比增長約10倍。孫磊等[8-9]用63Ni作為輻射源,給出了單晶硅垂直側(cè)壁淺多孔PN結(jié)型器件(圖5)作為RVIB換能單元的主要輸出結(jié)果:I sc=1.08μA,V oc=0.150 V,P max=130 nW,η=0.767%。Guo等[10]還報道了利用2.96×108Bq(8 mCi)的147Pm輻照單晶硅三維深多孔PN結(jié)型器件的探索,其結(jié)果為:I sc=550 nA,V oc=120 mV,P max=44 nW,η=1.75%。Liu等[11]完成了幾種形式3H輻照單晶硅三維深多孔PN結(jié)型器件的研究,結(jié)果表明,氣態(tài)3H輻照的能量轉(zhuǎn)換效率最大,為0.09%;硅近表面吸附3H輻照的比輸出功率(Specific Power)最大,為1.18×10-19W/Bq(4.35 nW/Ci)。

圖3 倒金字塔淺多孔器件

圖4 深多孔器件

圖5 垂直側(cè)壁淺多孔器件

上述研究均是以單晶硅三維結(jié)型器件為基礎,通過提高 RI與半導體結(jié)的接觸面積,獲得高的輸入功率,從而提高其電輸出功率;同時由于RI一般加載在三維結(jié)型器件孔道內(nèi),對射線的利用率要好于平面型器件(平面器件只能利用源2π方向的射線)。

理論上,與深多孔型器件相比,直槽型和淺多孔型器件對接觸面積和射線利用率的提升很有限,因此深多孔型器件可能是將來更有潛力的換能單元形式。但受單晶硅半導體材料性質(zhì)所限,以單晶硅非平面器件作為RVIB換能單元,很難獲得高的能量轉(zhuǎn)換效率,而且由于這類器件結(jié)構(gòu)上的特殊性,RI的加載也較為困難。到目前為止的研究中多是直接以液態(tài)(63Ni)或氣態(tài)(3H)形式加載,這些方式不利于提高RI加載量以及未來RVIB的應用。

Gadeken[12]曾提出模板插入式氚化合物加載設想:以三維深多孔型器件為模板母件,制作含氚化合物子件,從而含氚化合物可以完全插入三維深多孔型器件的孔道中,實現(xiàn)RI的有效加載(圖6)。Gadeken還在其專利中給出了含氚化合物的具體形式,如氚化聚1-乙基乙烯,即(C4 H 3T5—)n(圖 7),其理論含氚質(zhì)量大于20%[13-14]。Lee等[15]報道了利用金屬鈦粉末作為貯氚材料,加入一定的分散劑加載在單晶硅淺多孔器件表面,以提高氚密度和使用的安全性,利用氘代替氚的實驗結(jié)果表明金屬鈦粉末貯氫原子比可達到1.3。

圖6 模板插入式氚化合物加載

圖7 氚化合物合成路線

2.1.2 非單晶硅材料

近年來,較多的研究集中于非單晶硅材料PN結(jié)器件作為RVIB換能單元方面,并取得了很多有意義的結(jié)果。Kherani和 Kosteski等[16-20]連續(xù)報道了氚化無定形硅(a-Si:H:T)PiN結(jié)作為 RVIB換能單元的研究結(jié)果。在最初的實驗中,他們采用了如圖8(a)所示的結(jié)構(gòu),以a-Si:H:T作為PiN結(jié)器件的整個i區(qū),得到Pmax=0.29μw·cm-2;但是由于i區(qū)無定形硅中結(jié)合的氚在衰變?yōu)?He過程中,會在原來Si-T鍵的位置形成不穩(wěn)定的懸掛鍵(Dangling Bonds),使器件性能衰退嚴重。后來采用了改進后的a-Si:H:T的PiN結(jié)器件,如圖8(b),在a-Si:H的i區(qū)中增加被稱作δ層的 a-Si:H:T層,使懸掛鍵僅產(chǎn)生在δ層而不會破壞整個i區(qū)。對于這兩種結(jié)構(gòu)器件,前者短路電流在200 h后下降為初試值的10%,而后者短路電流在600 h后下降為初試值的50%,表明后者的穩(wěn)定性明顯增強。Deus[21]曾報道了氣態(tài)3H輻照無定形硅器件的實驗結(jié)果,得到I sc=637 nA·cm-2,V oc=457 mV,P max=136 nW·cm-2,η=1.2%。由于3H的擴散作用使無定形硅器件性能衰退,在氣態(tài)3H持續(xù)輻照46 d后,η下降到0.1%。

事實上對于非單晶硅PN結(jié)器件的研究更多關(guān)注的是寬帶隙材料器件(單晶硅的帶隙寬度僅為1.12 eV)。理論上,RVIB的能量轉(zhuǎn)換效率最高可以達40%,但到目前為止的研究結(jié)果與此仍有很大差距?；?RVIB理論最大能量轉(zhuǎn)換效率與換能單元所用半導體材料的帶隙有直接關(guān)系,一般是隨著材料帶隙增加而增大(圖9)[1]。因此利用寬帶隙半導體材料制作換能單元有利于提升轉(zhuǎn)換效率,進而提高電池的電輸出性能。

許多寬帶隙半導體材料所具有的耐輻射能力強的特點也有利于 RVIB長時間持續(xù)輸出電性能的穩(wěn)定性,這就擴大了RVIB用RI的選擇范圍:可以選擇射線能量更高的β核素,甚至是α核素。與傳統(tǒng)單晶硅材料半導體器件換能單元只能選用低能β射線同位素作為驅(qū)動源的局限(理論上輻射粒子能量高于約155 keV就有可能造成單晶Si晶格破壞,形成Frekel缺陷)相比,選擇射線能量更高的核素可大大提高RI的功率輸入,使 RVIB電輸出性能的改善成為可能。

圖8 a-Si:H:T的PiN結(jié)器件

圖9 材料帶隙與理論轉(zhuǎn)換效率關(guān)系

近年來有不少關(guān)于寬帶隙材料作為換能單元的研究工作。Deus[21]報道了以AlGaAs(帶隙約1.9 eV)器件作為換能單元的實驗結(jié)果,經(jīng)氣態(tài)3H輻照后的能量轉(zhuǎn)換效率,η=2.3%;但由于3H的擴散作用使器件性能衰退,持續(xù)輻照46 d以后,η下降到0.71%。與氣態(tài)3H輻照無定形硅的電輸出結(jié)果相比,AlGaAs材料器件具有更佳的初始轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性(持續(xù)輻照46 d比較)。Kolawa等[22]報道了利用金剛石材料(帶隙約5.4 eV)器件作為換能單元的結(jié)果,用α核素244Cm輻照,其轉(zhuǎn)換效率可能達35%。2006年,Cress等以InGaP材料(帶隙1.85 eV)制作了結(jié)型器件,在210Po輻照下獲得了3.2%的轉(zhuǎn)換效率;同年Eiting和Chandrashekhar的課題組分別制作了SiC材料(帶隙3.2 eV)結(jié)型器件,前者利用33P為輻照源,獲得了約4.5%的能量轉(zhuǎn)換效率;后者利用63Ni為輻照源,獲得了約6%的能量轉(zhuǎn)換效率[23-25]。GaN是受到廣泛關(guān)注的寬帶隙半導體材料,其帶隙約3.4 eV,Honsberg和Mohamadian等分別報道了 GaN結(jié)型器件作為 RVIB換能單元的理論分析結(jié)果[26-28]。通過理論計算分析,GaN器件能量轉(zhuǎn)換效率為25%,相應的單晶Si器件能量轉(zhuǎn)換效率為14%。在文獻[26]中還提到帶隙達5.8 eV的AlGaN材料器件,理論能量轉(zhuǎn)換效率可達27%。使用金剛石、GaN這樣的寬帶隙材料器件在能量轉(zhuǎn)換效率方面確實比傳統(tǒng)的單晶硅器件更有優(yōu)勢,但受限于目前材料及其器件的制作難度,這方面的研究仍有待深入。

2.2 非PN結(jié)器件換能單元

雖然使用PN結(jié)作為換能單元是RVIB研究的主流,但對非PN結(jié)器件作為其換能單元的研究仍然受到人們的關(guān)注。早在20世紀70年代,就有肖特基器件作為換能單元的報道,近年來的研究進行了一些新的非PN結(jié)材料作為RVIB換能單元的嘗試。Liu等[29]報道了一類接觸勢差器件作為RVIB換能單元的實驗結(jié)果。以ScT x為驅(qū)動源,利用金屬Cu和Sc的接觸勢差,以空氣為絕緣介質(zhì),得到Voc=0.5 V,Jsc=2.67 nA ·cm-2,P max=0.4 nW·cm-2,對電流的收集效率為40%;利用金屬Pt和Sc的接觸勢差,以無定形硅為絕緣介質(zhì),得到V oc=0.16 V,J sc=5.3 nA·cm-2,P max=0.26 nW·cm-2,對電流的收集效率為4.8%。由于空氣的電離能大于無定形硅,因此以空氣為介質(zhì),其短路電流密度相對無定形硅介質(zhì)的小,但由于前者復合率較小,因此其電流收集效率較大。兩種器件的能量轉(zhuǎn)換效率都約為 0.1%。同年,Qiao等[30]報道了有關(guān)SiC肖特基器件作為RVIB換能單元的研究。以N型SiC為基材,與金屬Ni形成肖特基器件(圖 10),在148 MBq·cm-2的63Ni源片輻照下,獲得的電輸出性能參數(shù)為:V oc=0.49 V,J sc=29.44 nA·cm-2,P max=4.85 nW·cm-2,η=1.2%。

Wacharasindhu等[31-33]使用液體半導體材料Se作為換能單元,將35S直接混合其中,與金屬Al形成肖特基結(jié)。35S的加載量為1.66 MBq(4.5 mCi),得 到 I sc=0.107 μA,V oc=899 mV,Pmax=16.2 nW,η=1.12%。由于使用的半導體材料為液態(tài)形式,避免了輻射作用下的晶格損傷問題,從而使電輸出性能的穩(wěn)定性得到提高;而且通過選擇合適的RI可以直接加載在液態(tài)半導體材料內(nèi)部,有利于提高轉(zhuǎn)換效率。圖11示出液體半導體材料器件RVIB結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖。

圖10 SiC肖特基器件示意圖

到目前為止,已經(jīng)研究的RVIB換能單元器件類型示于圖12。與PN結(jié)器件相比,非PN結(jié)器件所用材料的選擇范圍更加廣泛。盡管從目前的研究結(jié)果看,這些器件作為RVIB換能單元其能量轉(zhuǎn)換效率還不理想,但可以預期,通過不斷優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu),器件性能將會有很大的提升空間。液體半導體材料的肖特基器件的發(fā)展值得關(guān)注,它不僅大幅提高了RI粒子輻射的利用率,而且不會出現(xiàn)器件材料受射線輻照的晶格損傷,避免了因為該原因而出現(xiàn)器件長時間受輻照而致性能下降的問題。類似新型材料和器件的研制,對于RVIB的開發(fā)應用具有重要的推動作用。

圖11 液體半導體材料器件RVIB

圖12 RVIB換能單元類型

3 RVIB用RI的選擇

RI對電池的性能至關(guān)重要。RVIB的最終使用壽命取決于RI的半衰期;RI射線性質(zhì)和密度決定輸入功率的大小,因而直接影響電池的輸出功率(換能單元一定,能量轉(zhuǎn)換能力隨之確定);射線與換能單元材料的相互作用在產(chǎn)生電子空穴對的同時,還伴隨產(chǎn)生其他輻射效應,這會造成電池在長時間供能過程中輸出電流的穩(wěn)定性波動。一般來講,RVIB所用的驅(qū)動RI選擇原則如下:1)功率密度高,比功率大于0.1 W·g-1;2)半衰期長,一般要求是100 d＜T1/2＜100 y;3)毒性小,其化學形態(tài)應具有抗氧化、耐腐蝕、不潮解、不揮發(fā)、不易被生物吸收、不易在人體內(nèi)積聚等;4)純度高,有害雜質(zhì)少,不發(fā)射中子和高能γ射線;5)穩(wěn)定性好,選用的具有一定化學形態(tài)的RI與密封材料不發(fā)生化學作用,且在高溫時仍能保持電池密封的可靠性;6)經(jīng)濟易得。

發(fā)射低能純β的RI不易造成器件輻射損傷,無須附加屏蔽層,作為RVIB驅(qū)動源比α和γ核素更具有優(yōu)勢;但是其能量密度較低,因此相應RVIB輸出功率較小。為提高輸出功率,若采用耐輻照能力較強的半導體材料作為換能單元,可選用高能β同位素甚至α同位素為驅(qū)動源。表1中列出了部分可用于RVIB的RI的主要性質(zhì)(某些同位素不完全滿足前述選擇原則,但在某些方面有其優(yōu)勢)。

表1 部分RI的主要性質(zhì)

4 改善RVIB電輸出性能的途徑

從目前的研究結(jié)果看,RVIB的電輸出性能仍然很低,不能滿足其對微系統(tǒng)供電的要求。因此改善電輸出性能是實現(xiàn)RVIB工程化應用的技術(shù)關(guān)鍵。

對于 RVIB,電輸出性能用最大輸出功率P max作為評價指標。P max可以表示為:

從式(1)可看出,為了改善電輸出性能,必須盡可能增大I sc、V oc、FF值。一般來講改善電輸出性能有以下幾種途徑。

1)改進設計RVIB能量轉(zhuǎn)換單元,提高其能量轉(zhuǎn)換效率。

2)增加RI的能量密度(增加單位加載量或采用高能RI),在轉(zhuǎn)換效率不變的情況下,可以增加電池的輸出功率。

3)通過串聯(lián)和并聯(lián)方式形成電池組陣,以電池單元加和的方式提高電輸出性能。

4)其他改善電池性能方式(如降低系統(tǒng)溫度等)。

換能單元是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組成部份,其結(jié)構(gòu)參數(shù)設計對于RVIB電性能影響很大。由于換能單元結(jié)構(gòu)參數(shù)多,因此對RVIB電性能的影響關(guān)系也很復雜,有時還出現(xiàn)一些矛盾的現(xiàn)象,如Isc、Voc對于各區(qū)域摻雜濃度的要求。從總體上講,P max是評價器件對射線能量利用效率的主要參數(shù),因此實現(xiàn) I sc、V oc和FF乘積最大值,是器件優(yōu)化的量化指標。本研究小組曾設計了三種具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的硅基PN結(jié)型器件,在63Ni輻照下其電輸出性能有相當大的差別,參數(shù)優(yōu)化的器件其P max比未經(jīng)優(yōu)化的器件提高將近5倍(圖13),表明換能單元的優(yōu)化設計對于改善RVIB的電輸出性能意義重大[34-35]。

圖13 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的PN結(jié)器件輸出性能

RI是影響RVIB電輸出性能的又一重要因素。受限于63Ni原料的品質(zhì)及其加載工藝,63Ni源能量密度一般都較低[36-39]。3H 以TiT x的形式貯存于金屬鈦中可以有很大的貯氚量,容易實現(xiàn)比常用63Ni源更大的(衰變)入射功率絕對值。本研究小組利用含氚鈦膜(含氚量為15.9 GBq,對應功率為14.5μW)輻照一種單晶硅基PN結(jié)器件,電輸出性能列于表2。其輸出電流的I sc、Voc、Pmax比63Ni(活度2.96×108Bq,對應功率為0.824μw)源輻照分別提高58.6%、80.8%、275%,其電輸出I-V曲線示于圖14。由表2和圖14可看出,提高驅(qū)動源能量密度對于提升RVIB電輸出性能作用非常明顯。研究[40-41]還發(fā)現(xiàn),由于金屬鈦原子對氚β射線的阻擋作用,使得射線能量的利用率較低;貯氚鈦膜厚度越大,這種阻擋作用就越明顯。因此降低膜的厚度或選用對低能β粒子阻擋能力較弱的材料作為貯氚膜,是提高其β射線的表面發(fā)射效率,相應提高源入射功率的可能途徑。

表2 含氚鈦膜及63 Ni輻照電輸出性能分析

圖14 TiTx及63 Ni源片輻照下的輸出性能

將多個電池單元組成電池組陣是提高電池電輸出性能最直接有效的方式,也是RVIB滿足各種不同需求的必由之路。本研究小組[42]曾采用兩只具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的單晶硅基PN結(jié)器件,考察了串聯(lián)、并聯(lián)時在同一63Ni源輻照下的電輸出性能,并與兩只器件單獨輻照的結(jié)果進行了比較,其I-V曲線示于圖15。由圖15給出的I-V曲線可以看出,當以串聯(lián)的方式連接時,其電輸出結(jié)果與單個器件相比,Isc和FF基本不變,V oc和η可達單個器件值的兩倍;而以并聯(lián)方式連接時,Voc和FF基本不變,Isc和η大約提高到單個器件值的兩倍。這些結(jié)果表明,采用構(gòu)成單元組陣方式提高其電輸出性能是可行的。

溫度對半導體材料的性質(zhì)影響很大。對于以半導體PN結(jié)型器件為換能單元的RVIB,主要體現(xiàn)在由于材料本征載流子濃度等的變化對電輸出性能的影響。本研究小組[43]曾考察了一種單晶硅基 PN結(jié)器件在63Ni輻照下,溫度-40℃到60℃范圍電輸出性能的變化。實驗結(jié)果表明,V oc隨溫度的變化約為-3 mV/K,在-40 ℃時 ,其 V oc、FF 、η、P max分別可達 463 mV 、0.829 、1.09%、8.94 nW,比常溫下(22 ℃)分別提高73%、15%、94%、94%。圖16為溫度與輸出功率關(guān)系。由圖16可以看出,適當降低溫度對于 RVIB電性能的提升作用非常明顯。在RVIB可能的應用中,如外太空、極地等環(huán)境溫度都遠低于常溫,因此可以利用這一點來提升RVIB的電輸出性能。

圖16 溫度與輸出功率的關(guān)系

如前所述,改善RVIB電輸出性能還有一些其他的方法,如使用三維結(jié)型器件作為換能單元以提高RI源加載量和射線利用率,使用寬帶隙材料器件以提高能量轉(zhuǎn)換效率,使用高能RI以增加輸入輸出功率等。正是由于目前 RVIB的電學輸出性能還很低,遠遠不能滿足實際使用的需要,因此今后RVIB的研究仍將致力于改善其輸出性能。

5 結(jié) 語

RVIB以其使用壽命長、功率密度大、運行穩(wěn)定可靠以及易于與其他半導體系統(tǒng)整合等特點,在作為MEMS等微小系統(tǒng)機載電源方面有著不可替代的優(yōu)勢。相信隨著新型半導體材料開發(fā),新類型半導體器件制作,性質(zhì)優(yōu)良 RI選擇應用及其加載工藝優(yōu)化將大幅提升 RVIB的性能?？梢灶A期,在不久的將來,RVIB在國防和國民經(jīng)濟建設相關(guān)領(lǐng)域的工程化應用必將成為現(xiàn)實。

[1] Bower KE,Barbanel YA,Shreter YG,et al.Polymeres Phosphors and Voltaics for Radioisotope Microbatteries[M].Florida:CRC Press,2002.

[2] 郝少昌,盧振明,符曉銘,等.核電池材料及核電池的應用[J].原子核物理評論,2006,23(3):353-358.

[3] 楊玉青,王關(guān)全,張華明.輻射伏特效應同位素電池探索研究2006年度技術(shù)總結(jié)報告[R].綿陽:中國工程物理研究院核物理與化學研究所,2006.

[4] 王關(guān)全,張華明,羅順忠,等.半導體器件在輻射作用下的電學輸出性能[J].同位素,2008,21(4):198-203.

[5] Blanchard J,Henderson D,Lal A.A nuclear microbattery for MEMS(Final)DE-FG07-99ID13781[R/OL].US:department of energy award.http://homepages.cae.wisc.edu/～blanchar/res/batteries.htm.Final Scientific/Technical Report.

[6] Guo H,Lal A.Nanopower betavoltaic microbatteries[C]//the 12th international conference on solid state sensors.Boston:Actuators and Microsystems,2003.

[7] Sun W,Kherani NP,Hirschman KD,et al.A three-dimensional porous silicon p-n diode for betavoltaics and photovoltaics[J].Adv Mater,2005,17:1 230-1 233.

[8] 孫磊,苑偉政,喬大勇.基于 MEMS的放射性同位素電池的設計與實現(xiàn)[J].微細加工技術(shù),2006,3:32-35.

[9] 孫磊,苑偉政,喬大勇.一種新型基于MEMS的同位素微電池的研究[J].功能材料與器件學報,2006,12(5):434-438.

[10]Guo H,Yang H,Zhang Y.Betavoltaic microbatteries using porous silicon[C]//Proceedings of MEMS,Japan:Kobe,2007:867-870.

[11]Liu B,Chen KP,Khernai NP,et al.Power-scaling performance of a three-dimensional tritium betavoltaic diode[J].Appl Phys Lett, 2009,95,233112.

[12]Gadeken LL.Tritiated 3Ddiode betavoltaic microbattery[C]//IAEA Workshop,Advanced Sensors for Safeguards,2007:23-27.

[13] Gadeken LL,Engel PS,Laverdure KS,et al.Synthesis of radioactive materials and compositions of same.International Patent,2008,WO 20081101069 A1.

[14] Gadeken LL,Engel PS,Laverdure KS,et al.Synthesis of radioactive materials and compositions of same:US,7622532 B2[P].2009.United States Patent.

[15]Lee SK,Son SH,Kim KS,et al.Development of nuclearmicro-battery with solid tritiumsource[J].Applied Radiation and Isotopes,2009,67:1 234-1 238.

[16] Kherani NP,Osteki TK,Zukotynski S,et al.Tritiated amorphous silicon for micropower applications[J].Fusion Technol,1995,28(3):1 609-1 614.

[17]Kosteki T,Kherani NP,Gaspari F,et al.Tritiated amorphous silicon films and devices[J].J Vac Sci Technol A:Vac Surf Films,1998,16(2):893-896.

[18]Kosteski T.Tritiated amorphous silicon films and devices[D].Canada:Department of Electrical and Computer Engineering University of Toronto,2001.

[19]Kosteki T,Kherani NP,Stradins P,et al.Tritiated amorphous silicon betavoltaic devices[J].IEE Proc-Circuits Devices Syst,2003,150(4):274-281.

[20] Kosteski T,Kherani NP,Shmayda WT,et al.Nuclear batteries using tritium and thin film hydrogenated amorphous silicon[J].Fusion Science and Technology,2005,48:700-703.

[21]Deus S.Tritium-powered betavoltaic cells based on amorphous silicon[C],proceedings of 28th PVSEC,USA:IEEE,2000,1 246-1 249.

[22]Kolawa EA,Patel JU,Fleurial JP.Very high efficiency,miniaturized,long-lived alpha particle power source using diamond devices for extreme space environments:US,6753469 B1[P].2004[2010-08-16].United States Patent.

[23]Cress CD,Landi BJ,Raffaelle RP,et al.InGaP alpha voltaic batteries:synthesis,modeling,and radiation tolerance[J].Journal of applied physics,2006,100:114519.

[24]Eiting CJ,rishnamoorthy VK,Rodgers S,et al.Demonstration of a radiation resistant,high ef ficiency SiC betavoltaic[J].Applied Physics Letters,2006,88:064101.

[25]Chandrashekhar MVS,Thomas CI,Li H,et al.Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell[J].Applied physics letters,2006,88:033506.

[26]Honsberg C,Doolittle WA,Allen M,et al.GaN betavoltaic energy converters[C]//Proceedings of the31st IEEE Photovoltaics Specialist Conference,USA Orbando Florida,2005.

[27]Mohamadian M,Feghhi SAH,Afariadeh H.Conceptual design of GaN betavoltaic battery using in cardiac pacemaker[C]//Proceedings of 13th International Conf on Emerging of Nuclear Energy Systems(ICENES),Istanbul,Turkey,2007.

[28]Mohamadian M,Feghhi SAH,Afariadeh H.Geometrical optimization of GaN betavoltaic microbattery[C]//Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Power Systems,Beijing,China,2007:247-250.

[29]Liu B,Chen KP,Kherani NP,et al.Betavoltaics using scandium tritide and contact potential difference[J].Applied physics letters, 2008,92:083511.

[30]Qiao DY,Yuan WZ,Gao P,et al.Demonstration of a 4H SiC betavoltaic nuclear battery based on schottky[J].chin phys lett,2008,25(10):3 798-3 800.

[31]Wacharasindhu T,Kwon JW,Meier DE,et al.Radioisotope microbattery based on liquid Semiconductor[J].Applied physics letters,2009,95:014103.

[32] Wacharasindhu T,Kwon JW,Meier DE,et al.Liquid-semiconductor-based micro power source using radioisotope energy conversion[C]//Proceedings of Transducers 2009 Denver.CO,USA,2009:656-659.

[33]Meier DE,Garnov AY,Robertson JD,et al.Production of S-35 for a liquid semiconductor betavoltaic[J/OL].J Radioanal Nucl Chem,2009[2009-07-16].Published on line:.

[34]王關(guān)全,楊玉青,張華明,等.輻射伏特效應同位素電池換能單元設計及其性能測試[J].原子能科學技術(shù),2010,44(4):494-498.

[35]楊玉青,王關(guān)全,胡睿,等.輻射伏特效應同位素電池換能單元的初步設計[J].核技術(shù),2010,33(3):197-200.

[36]胡睿,楊玉青,王關(guān)全,等.低濃度硝酸鎳間接化學鍍工藝的研究[J].表面技術(shù),2009,38(2):57-59.

[37]胡睿,張華明,熊曉玲,等.小體積化學鍍鎳工藝[J].電鍍與涂飾,2009,28(8):29.

[38]胡睿,熊曉玲,王關(guān)全,等.基于SAM 技術(shù)的單晶硅表面化學鍍鎳工藝的優(yōu)化[J].材料保護,待發(fā)表.

[39]胡睿,魏洪源,熊曉玲,等.利用偶聯(lián)技術(shù)制備核電池用鎳鍍膜的工藝初探[J].表面技術(shù),待發(fā)表.

[40]王關(guān)全,楊玉青,張華明,等.氚鈦片輻照硅基半導體器件電學輸出性能[J].同位素,2009,22(4):218-220.

[41]王關(guān)全,楊玉青,張華明,等.PN結(jié)型器件在氚鈦片輻照下電輸出性能[J].核技術(shù),2009,32(8):584-587.

[42]王關(guān)全,胡睿,熊曉玲,等.輻射伏特效應同位素電池組陣可行性初探[C]//第二屆全國核技術(shù)及應用研究學術(shù)研討會會議文集,四川綿陽,2009.

[43]Wang GQ,Hu R,Wei HY,et al.The temperature effect of the electrical performances of betavoltaic cell[J].Applied Radiation and Isotopes,2010,68:2 213-2 217.