發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及從放射性發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換的電能。

背景技術(shù)：

功率單元提供用于驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載的獨(dú)立的電能源。電力電池的常見例子是電化學(xué)電池。雖然電化學(xué)電池在以相對低的成本提供電力需求一段時(shí)間是有效的，但限制因素是由材料類型和重量限定的可用能量。由于電化學(xué)電池的質(zhì)量有限，儲(chǔ)能和能量密度有限，所以出于各種嘗試，由于能量密度較高的理論極限，生產(chǎn)替代功率電池，例如由放射性同位素供電的電池。

有幾種不同類型的放射性同位素動(dòng)力電池。一旦這種類型是無線電熱發(fā)生器(rtg)，其使用放射性材料衰變期間產(chǎn)生的熱量來產(chǎn)生電能。這些器件的熱能轉(zhuǎn)換效率低于電能。因此，rtg通常與非常高能量的放射性同位素一起使用以產(chǎn)生電力來源，通常需要大量的屏蔽。另外，電力輸出低。

另一種類型的放射性同位素供電的電池是使用放射性同位素，發(fā)光材料和光伏電池的間接轉(zhuǎn)換裝置。由放射性同位素發(fā)射的衰變顆粒激發(fā)發(fā)光材料。由發(fā)光材料發(fā)射的光被光伏電池吸收發(fā)電。這種類型的電池通常由于兩步轉(zhuǎn)換而具有低效率并且壽命相對較短，因?yàn)榘l(fā)光材料被排放物損壞。

放射性同位素動(dòng)力電池的另一個(gè)實(shí)例是使用放射性同位素和半導(dǎo)體材料的直接轉(zhuǎn)換裝置。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體在這個(gè)應(yīng)用中的用途很有限，因?yàn)樗鼈冊馐芊派湫酝凰厮プ儺a(chǎn)物的側(cè)向輻射損傷。特別地，入射的高能β粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生分散和捕獲所產(chǎn)生的電荷載流子的缺陷。損壞積累，因此隨著時(shí)間的推移，電池的性能降低。

us5,260,621公開了一種固態(tài)核電池，其包括相對較高的能量輻射源，伴隨發(fā)熱，以及體結(jié)晶半導(dǎo)體，例如algaas，其特征在于響應(yīng)于放射性同位素的缺陷產(chǎn)生。選擇材料使得在電池的升高的工作溫度下通過退火來修復(fù)輻射損傷。該裝置的效率低，這需要使用高能輻射源，并且還需要升高的工作溫度來起作用。

us5859484教導(dǎo)了一種固體放射性同位素供電的半導(dǎo)體電池，其包括諸如galnasp的晶體半導(dǎo)體材料的襯底。該電池優(yōu)選使用僅發(fā)射低能量粒子的放射性同位素以最小化半導(dǎo)體材料的劣化以使壽命最大化。使用較低能量輻射源的效果是較低的最大功率輸出。

在us6479919中公開了另一種這樣的裝置，其描述了結(jié)合二十面體硼化物化合物的β電池，例如b12p2或b12as2，β輻射源和用于將電能傳輸?shù)酵獠控?fù)載的裝置。制造硼化硼和磷化硼是昂貴的，這增加了生產(chǎn)這些類型的器件的成本。此外，這種裝置的生產(chǎn)增加了與處理砷化物和磷化物材料相關(guān)的健康，安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

總而言之，當(dāng)前可用的放射性同位素動(dòng)力電池的問題包括將發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換成電能的效率低下，影響裝置材料的輻射損傷，對高能核源的屏蔽要求和經(jīng)受退化的半導(dǎo)體材料。

本發(fā)明的目的是提供一種在耐久性和功率輸出之間具有改善的平衡的放射性同位素功率單元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括：放射性核素材料；氧化鋅薄層；與氧化鋅接觸并在其間形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)的金屬電極，其中從放射性核素材料接收的放射性發(fā)射在金屬-半導(dǎo)體結(jié)處被轉(zhuǎn)換為電能；以及連接到電極的電觸點(diǎn)，其在連接到負(fù)載時(shí)有助于電能的流動(dòng)。

本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用氧化鋅具有驚人的結(jié)果。雖然氧化鋅是本征的n型半導(dǎo)體，但由于缺乏穩(wěn)定的摻雜的p型zno材料，它作為半導(dǎo)體材料是有限的或沒有商業(yè)用途的。因此，被認(rèn)為是用于形成p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料的不良選擇，其已經(jīng)成為構(gòu)建放射性同位素動(dòng)力電池的主要方向。

半導(dǎo)體材料的傳統(tǒng)認(rèn)可選擇，例如gaas，gainas；或si，si-c；或cdte；已被發(fā)現(xiàn)在暴露于高水平輻射時(shí)結(jié)構(gòu)性降解。

發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以適當(dāng)?shù)暮穸仁褂脮r(shí)，氧化鋅可以承受高的輻射水平，并且當(dāng)用作金屬-半導(dǎo)體結(jié)的一部分(與pn結(jié)相對)時(shí))可以產(chǎn)生有利的發(fā)電輸出。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1是表示施加電壓為3v的試驗(yàn)中的氧化鋅厚度的變化的發(fā)生電流的變化的圖。

圖2是表示使用不同電極材料的氧化鋅厚度的變化和施加電壓為3v的試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)的發(fā)生電流的變化的圖。

圖3是表示放射性核素與氧化鋅層的距離變化的發(fā)生電流與施加電壓的變化的曲線圖。

圖4是電源裝置的第一實(shí)施例的示意圖；

圖5是電源裝置的替代實(shí)施例的示意圖；

圖6是電源裝置的另一替代實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

主要參考特定說明性實(shí)例來描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用所示和所描述的特定實(shí)施方式的特征的變化來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理。這些實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是限制本文公開的廣泛發(fā)明構(gòu)思。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是使用具有與半導(dǎo)體材料接觸的金屬電極的n型半導(dǎo)體材料并將該裝置暴露于來自放射性核素材料的輻射的發(fā)電系統(tǒng)。在電極和半導(dǎo)體材料之間形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)處，放射性發(fā)射被轉(zhuǎn)換為電能。對于所產(chǎn)生的電能的流動(dòng)，重要的是在電極之間存在電位差。因此，需要在電極之間的金屬與半導(dǎo)體接觸面積之間存在顯著的差異，以便與另一個(gè)電極相比，在一個(gè)電極產(chǎn)生更大的電荷產(chǎn)生。具有較大電荷積聚的電極有效地成為負(fù)極端子，另一個(gè)電極成為正極端子。

為了最大化放射性同位素功率電池中的發(fā)電，期望使用相對較高的能級輻射源和高活性密度。然而，大多數(shù)半導(dǎo)體材料不能承受這樣的高能級并且在結(jié)構(gòu)上隨著曝光而降解。

氧化鋅是n型半導(dǎo)體，但在現(xiàn)場被解雇為非常差的半導(dǎo)體材料。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化鋅確實(shí)具有承受較高能量輻射能力和高活性密度的能力。

在所提出的發(fā)電系統(tǒng)中使用氧化鋅的初始測試不幸地給出了在現(xiàn)場所接受的觀點(diǎn)所預(yù)期的令人失望的結(jié)果，即zno是不良的半導(dǎo)體材料。盡管能夠承受高水平的輻射，但所產(chǎn)生的電力輸出可忽略不計(jì)。

然而，當(dāng)對所提出的發(fā)電系統(tǒng)中使用的氧化鋅的厚度進(jìn)行改變時(shí)，當(dāng)氧化鋅以足夠薄的層或膜的形式提供時(shí)，發(fā)現(xiàn)令人驚奇的有利的結(jié)果。為了本說明書和權(quán)利要求書的目的，“薄”是指小于約15μm，優(yōu)選小于10μm。

圖1是示出在施加電壓為3v的試驗(yàn)中氧化鋅厚度變化的發(fā)生電流的變化的曲線圖。在該測試中，最佳電流為1000nm。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，通過具有5cm×5cm表面的rf磁控濺射或電化學(xué)氣相沉積在襯底上形成氧化鋅薄膜。襯底由第一層玻璃組成。在這方面，藍(lán)寶石和石英也被認(rèn)為適合這個(gè)第一層。襯底還包括摻雜的金屬氧化物材料層，其形成沉積氧化鋅的表面。

摻雜的金屬氧化物材料的這種層允許在其上形成較小的正電極，從而將正電極與氧化鋅分離，但由于摻雜的金屬氧化物的半導(dǎo)體特性而提供電流路徑。合適的摻雜金屬氧化物材料包括但不限于氟摻雜的氧化錫和摻錫的氧化銦。

測試了許多金屬材料作為電極，即金，銅，鋁和銀的適用性。此外，檢查了不同的電極構(gòu)造，首先，電極覆蓋氧化鋅層的整個(gè)表面，第二個(gè)電極配置在氧化鋅表面上使用梳狀或指狀柵格。金屬電極材料的一般厚度在100-1000nm，優(yōu)選150nm的范圍內(nèi)。

使用濺射技術(shù)沉積金和銅，而使用熱蒸發(fā)技術(shù)沉積鋁和銀。

將不同的樣品暴露于sr-90。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金，鋁和銀在金屬-半導(dǎo)體連接處產(chǎn)生線性和對稱的電流-電壓曲線，表明這些金屬和氧化鋅之間所需的歐姆接觸程度。

銅產(chǎn)生指示肖特基勢壘的非線性和不對稱結(jié)果，這表明它不適合于目前的目的。

關(guān)于不同的配置，注意到結(jié)果可以忽略不計(jì)。這表明使用較少金屬的梳狀網(wǎng)格配置是可行的選擇。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)考慮了其它幾何形狀和構(gòu)造。

類似地，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以在金屬-半導(dǎo)體結(jié)中用不同的金屬(包括合金)來實(shí)現(xiàn)。

在150nm和1500nm之間的不同厚度的氧化鋅層進(jìn)行測試。

令人驚奇的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著厚度從150nm增加，所產(chǎn)生的電輸出也增加到最佳厚度，之后增加厚度導(dǎo)致產(chǎn)生的電輸出減少。超過約1500nm，為了實(shí)際目的，輸出變得太低。因此，測試表明氧化鋅在150nm和1500nm之間的理想厚度范圍。最佳厚度取決于材料的選擇。

最佳厚度根據(jù)材料的選擇而變化。圖2示出了在恒定電壓和輻射源下具有不同材料和材料厚度的電流隨電流的變化。該材料包括指狀電極配置中的銀；銀全電極；鋁在指狀電極配置中；鋁全覆蓋；和黃金全面覆蓋。

在某些測試中，最佳厚度為1000nm，而在其他測試中，最佳厚度為1250nm，參見圖1和圖2.然而，厚度的總有用范圍保持相當(dāng)恒定。預(yù)期最佳厚度也可以在該范圍內(nèi)變化，這取決于放射性核素材料的選擇。

可用于本發(fā)明實(shí)施方案中的替代的β發(fā)射材料包括pm-147，ni-63和氚，或任何其它合適的β發(fā)射材料。本發(fā)明原則上能夠使用其他種類的放射性材料，例如x射線源，γ源或任何其它合適的材料。放射性核素可以是任何合適的化學(xué)形式，并且材料原則上可以是不同的放射性核素或其它材料的混合物。

還進(jìn)行了如圖3所示改變sr-90材料與氧化鋅層的距離和入射角度在2mm至350mm之間變化的測試。圖3是示出了產(chǎn)生的電流與施加的電流的變化的曲線圖電壓，放射性核素與氧化鋅層的距離不同。

如所預(yù)期的，最佳輸出發(fā)生在最小距離處，隨著距離增加，輸出減小。然而，在整個(gè)測試范圍內(nèi)仍然有明顯的輸出，特別是高達(dá)約300mm，角度<45°。鑒于發(fā)電機(jī)的厚度尺寸，這是一個(gè)很大的空間，并且建議可以使用相同的放射性核素材料以多層結(jié)構(gòu)布置多個(gè)發(fā)生器裝置，從而增加來自單個(gè)放射性核素源的電輸出能力。

現(xiàn)在將描述采用發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電源裝置的示例。

如圖4所示，示出了基本的“單層”裝置10.如圖所示，裝置10包括殼體12，在其中心處具有一層密封的放射性核素14，例如sr-90，pm-147，ni-63或h-3。殼體12可以由各種合適的材料(例如鋁，鋼等)形成并且包圍空氣28的密封。密封件16可以是鋁，塑料，聚酯薄膜，其它合適的金屬合金或類似的低z材料(z為原子量)。在放射性核素14的兩側(cè)，具有錫摻雜氧化銦20層和形成在其上的氧化鋅22的薄層的基板18(例如，玻璃基板)。錫摻雜氧化銦的替代物可以是銦錫氟化物。主負(fù)極24形成在氧化鋅22的另一個(gè)表面上，較小的正極26形成在錫摻雜氧化銦20的表面上。導(dǎo)電引線30連接到兩個(gè)電極24,26，并導(dǎo)致用于連接到負(fù)載的殼體12的外部。

在圖5中，示出了“雙層”裝置110.中心放射性核素114的每一側(cè)具有兩個(gè)氧化鋅層122的布置，每個(gè)具有對應(yīng)的電極124,126，摻雜的金屬氧化物層120和分離的通過絕緣基板132。

在圖6中，示出了“三層”裝置210，其中襯底和zno層以三明治布置布置。類似于其它示例，中心密封放射性核素214具有三層襯底232的任一側(cè)，zno層222，摻雜金屬氧化物層220和電極224,226的布置。

應(yīng)當(dāng)理解，可以不斷增加層的數(shù)量，并且因此增加產(chǎn)生的電輸出?？梢允褂枚嗌賹拥南拗剖怯勺钸h(yuǎn)層離放射性核素材料有多遠(yuǎn)。

應(yīng)當(dāng)理解，可以使用具有多于一層放射性核素的結(jié)構(gòu)，其中加入多個(gè)夾心結(jié)構(gòu)以提供期望的功率水平。還應(yīng)當(dāng)理解，盡管所描述的結(jié)構(gòu)大致為正方形，但是結(jié)構(gòu)可以是任何期望的形狀，并且可以在合適的實(shí)施方式中彎曲，假設(shè)可以保持適當(dāng)?shù)拈g隔。