本發(fā)明屬于核物理、核能應(yīng)用和微能源領(lǐng)域，具體涉及一種熒光層、該熒光層的制備方法及其在核電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著人口數(shù)量與生活水平的發(fā)展提升，對(duì)能源的需求量也與日俱增，但隨著太空探索的深入和高新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)，人類(lèi)對(duì)能源也提出了更高的要求。在超低功率裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，尤其是目前一些更換和維修較困難的地方，長(zhǎng)壽命、高效穩(wěn)定的供能系統(tǒng)存在極大的潛在利用價(jià)值。而具備長(zhǎng)壽命(取決于放射性同位素的半衰期)，小尺寸，重量輕，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，工作溫度范圍寬，輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)的核電池可以很好的滿足這些特定需求，成為未來(lái)能源發(fā)展的首要候選者。核電池，又稱(chēng)為同位素電池，它是一種利用放射源衰變釋放的載能粒子(如α、β粒子和γ射線)或者衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成所需電能的裝置。在眾多能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的核電池中，換能原理可分為直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換兩種。直接轉(zhuǎn)換核電池即將同位素衰變熱或射線能量一次轉(zhuǎn)換成電能，較常用的有熱電溫差效應(yīng)核電池和輻射伏特效應(yīng)核電池等。間接轉(zhuǎn)換核電池則是將放射源的衰變熱或輻射能二次轉(zhuǎn)換成所需的電能，如熱致光電式核電池和熒光體光電式核電池。核電池直接轉(zhuǎn)換類(lèi)型中的熱電溫差效應(yīng)核電池，該裝置是基于熱電材料的塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，采用溫差材料直接將放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。該?lèi)核電池在實(shí)際應(yīng)用中需要隔熱層，且微型化在一定程度上受到限制。另一個(gè)關(guān)于直接轉(zhuǎn)換類(lèi)型的例子是輻射伏特效應(yīng)核電池，其工作原理是利用放射性同位素衰變產(chǎn)生的粒子照射半導(dǎo)體PN結(jié)，促使在PN結(jié)附近的電子電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，載流子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，建立電勢(shì)。該類(lèi)核電池使用的換能單元PN結(jié)對(duì)射線較敏感，在帶電粒子的激發(fā)下易產(chǎn)生缺陷和引起材料晶格損傷，對(duì)電池的性能存在一定的約束性。于是，在放射源與換能單元添加一層熒光物質(zhì)作為中間換能媒介，可有效緩解核輻射對(duì)半導(dǎo)體材料損傷問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種熒光層、該熒光層的制備方法及其在核電池中的應(yīng)用，通過(guò)物理沉降法將熒光粉層設(shè)置于玻璃基底上，并將該熒光層用于核電池結(jié)構(gòu)中，設(shè)置于放射源與光伏半導(dǎo)體組件之間，有效隔離了放射源對(duì)半導(dǎo)體光伏組件的輻射損傷，解決了現(xiàn)有技術(shù)中輻射伏特效應(yīng)核電池中半導(dǎo)體易輻照損傷的問(wèn)題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案：一種熒光層，包括玻璃基底、熒光粉層，所述熒光粉層設(shè)置在玻璃基底上。所述熒光層通過(guò)下述方法制備：步驟1、在硅酸鉀溶液中加入ZnS:Cu熒光粉充分?jǐn)嚢瑁偌尤胂跛徜^溶液，繼續(xù)攪拌，然后將混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；步驟2、待玻璃基底上沉積熒光粉之后，將其取出并烘干，待其自然冷卻至常溫即可獲得所需熒光層。進(jìn)一步地，所述步驟1中所述的硅酸鉀溶液質(zhì)量濃度為0.5-2％。所述的硝酸鋇溶液質(zhì)量濃度為0.1-0.5％。所述的硅酸鉀溶液與硝酸鋇溶液的容積比為10:1-20:1，與ZnS:Cu熒光粉的質(zhì)量與熒光層的厚度根據(jù)如下公式設(shè)置：m＝ρsh，其中m為熒光粉的質(zhì)量，ρ為熒光粉的密度，s為玻璃器皿的底面積，h為熒光層的厚度。所述的自然沉降時(shí)間為1-5h。步驟2中的烘干溫度為200-300℃，烘干時(shí)間為0.5h。一種熒光層的制備方法，包括如下步驟：步驟1、在硅酸鉀溶液中加入ZnS:Cu熒光粉充分?jǐn)嚢?，再加入硝酸鋇溶液,繼續(xù)攪拌，然后將混合液倒至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降；步驟2、待玻璃基底上沉積熒光粉之后，將其取出并烘干，待其自然冷卻至常溫即可獲得所需熒光層。進(jìn)一步地，所述步驟1中所述的硅酸鉀溶液質(zhì)量濃度為0.5-2％。所述的硝酸鋇溶液質(zhì)量濃度為0.1-0.5％。所述的硅酸鉀溶液與硝酸鋇溶液的容積比為10:1-20:1，與ZnS:Cu熒光粉的質(zhì)量與熒光層的厚度根據(jù)如下公式設(shè)置：m＝ρsh，其中m為熒光粉的質(zhì)量，ρ為熒光粉的密度，s為玻璃器皿的底面積，h為熒光層的厚度。所述的自然沉降時(shí)間為1-5h。步驟2中的烘干溫度為200-300℃，烘干時(shí)間為0.5h。一種所述的熒光層在核電池中的應(yīng)用。所述核電池包括密封外殼、放射源層、半導(dǎo)體光伏組件，其中，所述半導(dǎo)體光伏組件包括依次連接的前電極層、半導(dǎo)體層、背電極層，所述的放射源層、熒光層、半導(dǎo)體光伏組件設(shè)置于密封外殼內(nèi)部，并通過(guò)密封外殼固定，其中熒光層位于放射源層與半導(dǎo)體光伏組件之間，玻璃基底與半導(dǎo)體光伏組件的前電極層連接，熒光粉層與放射源層連接。所述放射層為β放射源。所述β放射源為鎳-63或钷-147與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：1、采用物理沉降法制備熒光層，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所需條件較易獲得。2、利用熒光層作為輻射能到電能的中間換能媒介，半導(dǎo)體不受放射性粒子的電離輻射，可以有效地消除光伏組件換能單元的輻照損傷，延長(zhǎng)核電池的使用壽命。3、引入三接面的光伏組件，可以有效增加光譜接受范圍，提高輻致熒光核電池的能量轉(zhuǎn)換效率。在制備好的熒光層的基礎(chǔ)上，選擇不同禁帶寬度的半導(dǎo)體光伏組件作為后續(xù)的換能單元，拓寬光譜的有效吸收范圍。4、本發(fā)明的核電池可移動(dòng)性和安全性能好，適用于監(jiān)測(cè)器、信號(hào)接收器和微控制器等電子器件方面。5、采用疊層排布方式將β放射源、熒光層和光伏組件組合成一體，結(jié)構(gòu)緊湊，可增加有效作用面積，提高電池的輸出功率；對(duì)電池進(jìn)行密封處理，易于實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化和小型化，適應(yīng)性提高，應(yīng)用領(lǐng)域更寬。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明核電池示意圖。圖2為本發(fā)明核電池的俯視圖。圖3(a)為本發(fā)明的熒光層示意圖。圖3(b)為本發(fā)明的半導(dǎo)體光伏組件示意圖。圖3(c)為本發(fā)明熒光層與半導(dǎo)體光伏組件的安裝位置示意圖。圖3(d)為本發(fā)明熒光層、半導(dǎo)體光伏組件及放射源層的安裝示意圖。圖4為實(shí)施例中例1所制得的核電池的電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果圖。其中，圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)為：1-螺絲釘；2-密封蓋；3-非放射性金屬；4-放射性金屬；5-熒光粉層；6-石英玻璃襯底；7-前電極；8-InGaP/GaAs/Ge三接面半導(dǎo)體層；9-背電極；10-承載裝置。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述的輻致熒光核電池，包括：螺絲釘?shù)冗B接裝置1、密封蓋2、非放射性金屬3、放射性金屬4、熒光層5、玻璃襯底6、前電極7、半導(dǎo)體層8、背電極9和承載裝置10。其中非放射性金屬3、放射性金屬4、熒光層5、石英玻璃襯底6、前電極7、InGaP/GaAs/Ge三接面半導(dǎo)體層8和背電極9組成內(nèi)部結(jié)構(gòu)，螺絲釘1、密封蓋2和承載裝置10組成密封外殼。其中作為光電轉(zhuǎn)換單元的InGaP/GaAs/Ge三接面半導(dǎo)體層8是采用MOCVD技術(shù)在Ge襯底上進(jìn)行外延層生長(zhǎng)形成的，結(jié)構(gòu)緊湊且便于集成。半導(dǎo)體層的上下面分別是前電極7和背電極9。前電極是由Au/Ge/Ni金屬體系制作而成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用梳狀密柵式，主柵位于電池邊緣，垂直于細(xì)柵。該前電極的上端依次是石英玻璃襯底6和熒光層5。熒光層為基于輻致熒光效應(yīng)的發(fā)光效率較高的熒光粉材料，該熒光層的厚度在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)小于或等于放射性粒子在熒光層中的射程。熒光層的上方是密封放射源，其有非放射性金屬3和放射性金屬4兩部分組成，兩者為一體結(jié)構(gòu)，且放射性金屬設(shè)于非放射性金屬中間。該放射性金屬可以選擇在發(fā)生衰變效應(yīng)時(shí)可釋放α、β等放射性粒子的放射源。所述承載裝置10是由導(dǎo)熱系數(shù)小于1W/m·K的無(wú)機(jī)或有機(jī)絕緣材料(如氧化鋁陶瓷等)圍成的空腔，和密封蓋2共同組成輻致熒光核電池的外圍結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)其形狀、深度和材料等屬性，完成核電池的制備封裝。上述基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池可通過(guò)以下方法制備得到：實(shí)施例1步驟一、選取尺寸為30mm*30mm*0.5mm，透光率為95％，耐1000℃的石英玻璃片為熒光粉層的襯底6，用去離子水和酒精多次清洗；步驟二、采用物理沉降技術(shù)在所述襯底6上沉積一層厚度為70μm的ZnS:Cu熒光層5，將沉積后的樣品放置在250℃溫度下烘干30分鐘，待其自然冷卻至常溫即可取出，完成輻致熒光層的制備，整個(gè)制備環(huán)境為常壓；步驟三、制備核電池的外圍結(jié)構(gòu)，承載裝置10為氧化鋁陶瓷材料，長(zhǎng)方體狀，高30mm，底面為40mm*35mm的長(zhǎng)方形，內(nèi)部為空心，同樣為長(zhǎng)方體形狀，其深度為20mm，底面為35mm*30mm的長(zhǎng)方形，在其中一個(gè)側(cè)面距離底部高約12mm處開(kāi)鑿留出一個(gè)半徑為1mm的圓形孔洞；步驟四、將InGaP/GaAs/Ge三接面半導(dǎo)體層8的電極用連接線焊接，并放入承載裝置10內(nèi)，布置引線，將正負(fù)極接線從孔洞引出；步驟五、在半導(dǎo)體層的上方加載由ZnS:Cu熒光層和石英玻璃襯底組成的熒光層，在其上方繼續(xù)加載一層鍍制的放射性金屬鎳-63和非放射性金屬鎳，厚度約為5μm；步驟六、在整個(gè)外圍結(jié)構(gòu)上方加載密封蓋，將電池的各個(gè)單元封裝在一起，并利用螺絲釘?shù)冗B接裝置將整個(gè)電池固定，完成基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池的制備。放射性金屬鎳-63的面積與熒光層的接觸面積一致，半導(dǎo)體層的光吸收表面積小于熒光層和石英玻璃襯底的表面積。測(cè)試結(jié)果表明，基于70μm的ZnS:Cu熒光層的輻致熒光轉(zhuǎn)換，采用夾層結(jié)構(gòu)的三結(jié)半導(dǎo)體核電池的每平方厘米最大輸出功率可達(dá)到幾十納瓦量級(jí)，填充因子在0.34左右，能量轉(zhuǎn)換效率在5.1E-2％以上。實(shí)施例2本實(shí)例與例1除以下幾個(gè)地方不同之外，其他均一致。步驟一、選取尺寸為30mm*30mm*0.3mm，透光率為95％，耐1000℃的石英玻璃片為熒光粉層的襯底6，用去離子水和酒精多次清洗；步驟二、采用物理沉降技術(shù)在所述襯底6上沉積一層厚度為90μm的ZnS:Cu熒光層5，將沉積后的樣品放置在250℃溫度下烘干30分鐘，待其自然冷卻至常溫即可取出，完成熒光層的制備，整個(gè)制備環(huán)境為常壓；步驟五、在半導(dǎo)體層的上方加載由ZnS:Cu熒光層和石英玻璃襯底組成的熒光層，在其上方繼續(xù)加載一層鍍制的放射性金屬钷-147和非放射性金屬钷，厚度約為3mm；步驟六、在整個(gè)外圍結(jié)構(gòu)上方加載密封蓋，將電池的各個(gè)單元封裝在一起，并利用螺絲釘?shù)冗B接裝置將整個(gè)電池固定，完成基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池的制備。放射性金屬钷-147的面積與熒光層的接觸面積一致，半導(dǎo)體層的光吸收表面積小于熒光層和石英玻璃襯底的表面積。測(cè)試結(jié)果表明，基于90μm的ZnS:Cu熒光層的輻致熒光轉(zhuǎn)換，采用夾層結(jié)構(gòu)的三結(jié)半導(dǎo)體核電池的每平方厘米最大輸出功率可達(dá)到幾十納瓦量級(jí)，填充因子在0.32左右，能量轉(zhuǎn)換效率在2.8E-2％以上。實(shí)施例3本實(shí)例與例1除以下幾個(gè)地方不同之外，其他均一致。步驟二、采用物理沉降技術(shù)在所述襯底6上沉積一層厚度為91μm的Y2O2S:Eu熒光層5，將沉積后的樣品放置在250℃溫度下烘干30分鐘，待其自然冷卻至常溫即可取出，完成輻致熒光層的制備，整個(gè)制備環(huán)境為常壓；步驟五、在半導(dǎo)體層的上方加載由Y2O2S:Eu熒光層和石英玻璃襯底組成的輻致熒光層，在其上方繼續(xù)加載一層鍍制的放射性金屬钷-147和非放射性金屬钷，厚度約為3mm；步驟六、在整個(gè)外圍結(jié)構(gòu)上方加載密封蓋，將電池的各個(gè)單元封裝在一起，并利用螺絲釘?shù)冗B接裝置將整個(gè)電池固定，完成基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池的制備。放射性金屬钷-147的面積與熒光層的接觸面積一致，半導(dǎo)體層的光吸收表面積小于熒光層和石英玻璃襯底的表面積。測(cè)試結(jié)果表明，基于91μm的Y2O2S:Eu熒光層的輻致熒光轉(zhuǎn)換，采用夾層結(jié)構(gòu)的三結(jié)半導(dǎo)體核電池的每平方毫米最大輸出功率可達(dá)到幾十納瓦量級(jí)，填充因子在0.33左右，能量轉(zhuǎn)換效率在2.6E-2％以上。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例1除以下幾個(gè)地方不同之外，其他均一致。步驟一、選取尺寸為30mm*30mm*0.3mm，透光率為95％，耐1000℃的石英玻璃片為熒光粉層的襯底6，用去離子水和酒精多次清洗；步驟二、采用物理沉降技術(shù)在所述襯底6上沉積一層厚度為27μm的ZnS:Cu熒光層5，將沉積后的樣品放置在250℃溫度下烘干30分鐘，待其自然冷卻至常溫即可取出，完成輻致熒光層的制備，整個(gè)制備環(huán)境為常壓，并在輻致熒光層的表面鍍上一層厚約1μm的鋁層；步驟五、在半導(dǎo)體層的上方加載由ZnS:Cu熒光層和石英玻璃襯底組成的輻致熒光層，在其上方繼續(xù)加載一層鍍制的放射性金屬钷-147和非放射性金屬钷，厚度約為3mm；步驟六、在整個(gè)外圍結(jié)構(gòu)上方加載密封蓋，將電池的各個(gè)單元封裝在一起，并利用螺絲釘?shù)冗B接裝置將整個(gè)電池固定，完成基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池的制備。放射性金屬钷-147的面積與熒光層的接觸面積一致，半導(dǎo)體層的光吸收表面積小于熒光層和石英玻璃襯底的表面積。測(cè)試結(jié)果表明，基于27μm的ZnS:Cu熒光層的輻致熒光轉(zhuǎn)換，采用夾層結(jié)構(gòu)的三結(jié)半導(dǎo)體核電池的每平方毫米最大輸出功率可達(dá)到幾十納瓦量級(jí)，填充因子在0.28左右，能量轉(zhuǎn)換效率在3.7E-2％以上。本發(fā)明涉及的輻致熒光核電池作為輻射伏特效應(yīng)核電池的進(jìn)一步探索，其采用輻射能-光能-電能兩次換能模式。其工作原理是將放射性同位素衰變釋放的粒子轟擊熒光層，輻射激發(fā)經(jīng)過(guò)電子輻射躍遷等一系列中間過(guò)程后產(chǎn)生熒光，再利用半導(dǎo)體材料收集，光子將能量傳遞給電子，在材料中產(chǎn)生很多電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向兩側(cè)漂移，在P型側(cè)和N型側(cè)分別收集大量的空穴和電子，將P、N電極和負(fù)載相連接，便可形成回路產(chǎn)生電流。換能媒介熒光層具有優(yōu)越的輻致熒光特性、耐高溫特性和抗輻照特性，不僅可以滿足高溫強(qiáng)輻射等極端條件下的長(zhǎng)期特殊應(yīng)用的需求，而且根據(jù)具體需要，可以選擇更高的放射源能量上限，得到更高的能量轉(zhuǎn)換效率，成為當(dāng)前很有發(fā)展前途的供能系統(tǒng)。本發(fā)明熒光層制備的實(shí)施例如下：本發(fā)明所述的一種制備熒光層的方法將在下述實(shí)施例中加以詳細(xì)說(shuō)明，但不限于實(shí)施例。玻璃片的預(yù)處理：將尺寸為30mm*30mm*0.5mm、透光率為95％、耐1000℃的石英玻璃片作為熒光層基底，并用酒精和去離子水依次洗滌，洗滌溫度為20-40℃、洗滌1-3次，烘干備用；實(shí)施例5將150ml濃度0.75％硅酸鉀溶液加入反應(yīng)器中，添加0.85gZnS:Cu熒光粉，充分?jǐn)嚢柚?。加?5ml濃度0.25％的硝酸鋇溶液,繼續(xù)攪拌十分鐘，然后將混合液用玻璃棒均衡引流至有預(yù)處理過(guò)的玻璃片的玻璃器皿中，自然沉降1h，靜待器皿底部平衡放置的玻璃片上沉積熒光粉，整個(gè)過(guò)程需防塵防震動(dòng)，避免熒光層沾污、粉層表面不平整等因素影響其性能。移除上清液，然后用鑷子將沉積了粉層的玻璃片取出，放置在常壓250℃環(huán)境下保溫0.5h，待其自然冷卻至常溫后得到70μm的ZnS:Cu熒光層，可實(shí)現(xiàn)β輻射發(fā)出熒光，符合輻致熒光核電池應(yīng)用要求。實(shí)施例6將200ml濃度1.2％硅酸鉀溶液加入反應(yīng)器中，添加1.736gZnS:Cu熒光粉，充分?jǐn)嚢柚?。加?0ml濃度0.4％的硝酸鋇溶液,繼續(xù)攪拌十分鐘，然后將混合液用玻璃棒均衡引流至有預(yù)處理過(guò)的玻璃片的玻璃器皿中，自然沉降3h，靜待器皿底部平衡放置的玻璃片上沉積熒光粉，整個(gè)過(guò)程需防塵防震動(dòng)，避免熒光層沾污、粉層表面不平整等因素影響其性能。移除上清液，然后用鑷子將沉積了粉層的玻璃片取出，放置在常壓250℃環(huán)境下保溫0.5h，待其自然冷卻至常溫后得到140μm的ZnS:Cu熒光層，可實(shí)現(xiàn)β輻射發(fā)出熒光，符合輻致熒光核電池應(yīng)用要求。實(shí)施例7將100ml濃度0.5％硅酸鉀溶液加入反應(yīng)器中，添加0.249gZnS:Cu熒光粉，充分?jǐn)嚢柚?。加?0ml濃度0.1％的硝酸鋇溶液,繼續(xù)攪拌十分鐘，然后將混合液用玻璃棒均衡引流至有預(yù)處理過(guò)的玻璃片的玻璃器皿中，自然沉降2h，靜待器皿底部平衡放置的玻璃片上沉積熒光粉，整個(gè)過(guò)程需防塵防震動(dòng)，避免熒光層沾污、粉層表面不平整等因素影響其性能。移除上清液，然后用鑷子將沉積了粉層的玻璃片取出，放置在常壓250℃環(huán)境下保溫0.5h，待其自然冷卻至常溫后得到20μm的ZnS:Cu熒光層，可實(shí)現(xiàn)β輻射發(fā)出熒光，符合輻致熒光核電池應(yīng)用要求。