【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、隨著對太空開發(fā)利用的不斷深入，人類需要有一種功率合適、重量輕、壽命長、成本低，且安全可靠的空間能源。同位素電池作為核電池中的一種，在不同程度上滿足了這些要求，在某些方面甚至是其他空間能源(太陽能電池、化學(xué)電池、燃料電池)無法替代的。
2、放射性同位素在進(jìn)行核衰變時釋放的能量比一般物質(zhì)高得多，而且衰變時間很長，如1克鐳在衰變中放出的能量比1克木柴在燃燒中放出的能量大60多萬倍，其衰變時間長達(dá)1萬年。因此放射性同位素可以用來制造特種電源-同位素電池。空間同位素電池的特點(diǎn)是：不需對太陽定向，體積小，使用壽命長。
3、目前，針對同位素電池中的輻伏電池，主要包括β放射源和α放射源。
4、基于β放射源的輻伏電池，常使用3h，63ni等低能β源(-10kev量級)作為輻伏電池的放射源。例如，文章名稱為high?open-circuit?voltage?betavoltaic?cell?based?on?ganpin?homojunction，公開了活度12.50mci/cm2的β放射源63ni與平面pn結(jié)構(gòu)gan半導(dǎo)體組合，實(shí)現(xiàn)了10.7nw/cm2的電池輸出功率密度。這是由于低能β射線在自己內(nèi)部的穿透的深度在微米量級，增加單位面積放射源的加載厚度的同時將會導(dǎo)致嚴(yán)重的自吸收能損，從而導(dǎo)致低能β放射源的飽和輸出功率很低(<10μw/cm2)，從根本上限制了電池的輸出功率。隨著近幾年寬帶隙半導(dǎo)體的制備工藝發(fā)展其能量轉(zhuǎn)化效率得到顯
5、基于低能α放射源的輻伏電池存在與β輻伏電池相同的問題，電池的輸出功率密度(<0.5μw/cm2)無法滿足實(shí)際需求。例如，針對α放射源作為電池的能量來源。文章名稱為amicro?nuclear?battery?based?on?sic?schottky?barrier?diode，公開了活度為1.00mci/cm2的β放射源241am與平面pin結(jié)構(gòu)sic半導(dǎo)體組合，實(shí)現(xiàn)了1.30nw/cm2的電池輸出功率密度。然而，對于高能α源，例如238pu，241am等發(fā)射能量在1mev量級的α射線，這一能量量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般的半導(dǎo)體材料的輻照損傷閾值(-100kev量級)，會造成半導(dǎo)體換能材料的輻照損傷，導(dǎo)致輻伏電池的性能出現(xiàn)明顯的隨時間衰退現(xiàn)象，即電池的輸出衰減明顯。
6、因此，研究者開始研究x射線放射源作為電池的能量來源的輻伏電池，以提高電池輸出功率密度。文章名稱為6μm?thick?alinp?55fe?x-ray?photovoltaic?and?63nibetavoltaic?cells，公開了活度為182mbq的x射線放射源55fe與平面pin結(jié)構(gòu)的algaas半導(dǎo)體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了1.44pw/cm2的輸出功率密度，器件能量轉(zhuǎn)化效率為2.20％。然而，x射線放射源的輻伏電池存在的主要問題在于，x射線放射源具有較強(qiáng)的穿透能力，大大削弱自吸收損失的同時，導(dǎo)致了大量的x射線穿透半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換單元，以穿透損失的形式不被利用，使得半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換單元的能量轉(zhuǎn)換效率處于較低的水平，普遍低于3％。
7、綜上，目前尚未研究出一種大于0.5μw/cm2的高輸出功率和大于3％的高轉(zhuǎn)換效率的x射線放射源輻伏電池。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)旨在解決目前x射線放射源輻伏電池低輸出功率和低轉(zhuǎn)換效率的問題，提出了一種基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池及其制備方法。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方法如下：
3、一種基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，所述基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池包括：含鎵的半導(dǎo)體換能單元和設(shè)置在含鎵的半導(dǎo)體換能單元上的x射線放射源55fe；其中，含鎵的半導(dǎo)體換能單元的材料包括gaas、gainp、gap、ga2o3中的至少一種。
4、具體的，所述含鎵的半導(dǎo)體換能單元的層數(shù)為單層或多層，且每層為pn、pin、pnn結(jié)構(gòu)中的一種。
5、其中，所述pnn結(jié)構(gòu)從上到下依次包括p+層、n-層、n+層。所述p+層的摻雜濃度為1×1018-1×1020cm-3，p+層的厚度為0.1-0.3μm。所述n-層的摻雜濃度為1×1014-1×1016cm-3，n-層的厚度為4-10μm。所述n+層的摻雜濃度為1×1017-1×1019cm-3，n+層的厚度為190-220μm。
6、具體的，所述x射線放射源55fe為單面放射源或雙面放射源。
7、可選地，所述基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池還設(shè)置有不影響x射線55fe透過的表面叉指電極、易于導(dǎo)電的背電極以及外部封裝層。
8、本專利技術(shù)還提供了所述的基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池的制備方法，所述制備方法包括：采用液封直拉法、外延生長、化學(xué)氣相沉積(lpcvd、pecvd、mocvd)法、鑄造法和離子注入方法得到基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池所需的結(jié)構(gòu)，制備含鎵的半導(dǎo)體換能單元；將x射線放射源55fe封裝在含鎵的半導(dǎo)體換能單元上，并引出電學(xué)引線，得到基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池。
9、具體的，所述含鎵的半導(dǎo)體換能單元為pnn結(jié)構(gòu)的制備包括：通過液封直拉法制備出含鎵的襯底，其中，含鎵的襯底的材料包括gaas、gainp、gap、ga2o3中的至少一種；在含鎵的襯底上摻入施主型雜質(zhì)，生長出n+層，再通過控制生長速度，得到n-層，再摻入受主雜質(zhì)，得到p+層；其中，摻入受主雜質(zhì)的濃度高于摻入施主型雜質(zhì)的濃度。
10、本專利技術(shù)的有益效果是：
11、(1)本專利技術(shù)使用的同位素放射源為x射線放射源55fe。相較于高能α源，x射線源衰變時，發(fā)出能量在幾kev量級的低能x射線，由于射線能量低于大部分半導(dǎo)體材料的輻照損傷閾值(-100kev量級)，不會對半導(dǎo)體材料造成嚴(yán)重的輻照損傷，從而大幅減弱了電池的性能衰減，延長了輻伏電池的使用壽命；如圖1所示，x射線的穿透能量遠(yuǎn)強(qiáng)于β射線，因此放射源的自吸收損失很弱，放射源的飽和厚度、飽和輸出功率要比常見β射線源高3個數(shù)量級，滿足了電池高輸出功率的需求；如圖2所示，x射線與半導(dǎo)體材料作用時，背散射射線的比例很低，因此背散射能損相比β源要低得多，從而保持了電池的轉(zhuǎn)換效率。因此，本專利技術(shù)采用x射線放射源55fe可以延長輻伏電池的使用壽命，有效提高了輻伏電池輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。
12、(2)本專利技術(shù)采用輻伏電池的結(jié)構(gòu)，x射線放射源55fe可有效地提高源的輸出功率密度，gaas、gainp、gap、ga2o3作為半導(dǎo)體材料可有效縮短x射線源55fe在半導(dǎo)體中的穿透深度，同時通過調(diào)整半導(dǎo)體換能單元的總厚度和各層的摻雜濃度，從而有效地提高載流子的收集能力，最終實(shí)現(xiàn)高輸出功率和高能量轉(zhuǎn)換效本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池包括：含鎵的半導(dǎo)體換能單元和設(shè)置在含鎵的半導(dǎo)體換能單元上的X射線放射源55Fe；其中，含鎵的半導(dǎo)體換能單元的材料包括GaAs、GaInP、GaP、Ga2O3中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述含鎵的半導(dǎo)體換能單元的層數(shù)為單層或多層，且每層為PN、PIN、PNN結(jié)構(gòu)中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述PNN結(jié)構(gòu)從上到下依次包括P+層、N-層、N+層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述P+層的摻雜濃度為1×1018-1×1020cm-3，P+層的厚度為0.1-0.3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述N-層的摻雜濃度為1×1014-1×1016cm-3，N-層的厚度為4-10μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述N+
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述X射線放射源55Fe為單面放射源或雙面放射源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池，其特征在于，所述基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池還設(shè)置有不影響X射線55Fe透過的表面叉指電極、易于導(dǎo)電的背電極以及外部封裝層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的基于含鎵半導(dǎo)體的X射線伏輻電池的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述含鎵的半導(dǎo)體換能單元為PNN結(jié)構(gòu)的制備包括：通過液封直拉法制備出含鎵的襯底，其中，含鎵的襯底的材料包括GaAs、GaInP、GaP、Ga2O3中的至少一種；在含鎵的襯底上摻入施主型雜質(zhì)，生長出N+層，再通過控制生長速度，得到N-層，再摻入受主雜質(zhì)，得到P+層；其中，摻入受主雜質(zhì)的濃度高于摻入施主型雜質(zhì)的濃度。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，其特征在于，所述基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池包括：含鎵的半導(dǎo)體換能單元和設(shè)置在含鎵的半導(dǎo)體換能單元上的x射線放射源55fe；其中，含鎵的半導(dǎo)體換能單元的材料包括gaas、gainp、gap、ga2o3中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，其特征在于，所述含鎵的半導(dǎo)體換能單元的層數(shù)為單層或多層，且每層為pn、pin、pnn結(jié)構(gòu)中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，其特征在于，所述pnn結(jié)構(gòu)從上到下依次包括p+層、n-層、n+層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，其特征在于，所述p+層的摻雜濃度為1×1018-1×1020cm-3，p+層的厚度為0.1-0.3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半導(dǎo)體的x射線伏輻電池，其特征在于，所述n-層的摻雜濃度為1×1014-1×1016cm-3，n-層的厚度為4-10μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于含鎵半...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙一英，趙瑩瑩，李海賓，趙陳，劉寅可，
申請(專利權(quán))人：中國工程物理研究院材料研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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