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(xué)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(xué)電池、燃料電池、太陽能電池相比,RIB具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢:1)使用壽命長,RIB設(shè)計(jì)壽命取決于所用RI的半衰期,可達(dá)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(dá)化學(xué)電源的數(shù)百到數(shù)千倍,因此在實(shí)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(hù)和更換。

RIB最早由英國物理學(xué)家Henry Mosley于1913年提出,其轉(zhuǎn)換機(jī)制為直接收集機(jī)制。由于該電池電流極弱(10-11A)、電壓極高(150 k V),在當(dāng)時(shí)幾乎沒有實(shí)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(jì)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(kuò)展,在這些特殊的環(huán)境中需要功率密度大、長期運(yùn)行不需要維護(hù)和更換、穩(wěn)定可靠的電源,已有的化學(xué)電池、燃料電池、太陽能電池均不能滿足應(yīng)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(jìn)入了快速發(fā)展期。RIB的衰變能-電能轉(zhuǎn)換機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)同位素電池(RVIB)是該類RIB的代表。

RIB主要能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分類示于圖1。對(duì)于熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制有靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式和動(dòng)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(jī)制(對(duì)應(yīng)的發(fā)電裝置即RTG)、熱離子發(fā)射機(jī)制、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制(Alkali Metal Thermal to E-lectric Conversion,AMTEC)以及熱致光伏特效應(yīng)機(jī)制等。RTG的原理類似于半導(dǎo)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(jī)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(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換效率一般為8%,最高可達(dá)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(dá)30%;熱致光伏特效應(yīng)則是利用RI衰變能所釋放出的熱量致光,再利用光伏效應(yīng)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(dòng)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(jī)械能,再由機(jī)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(dòng)渦輪機(jī),再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電實(shí)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(jī)物質(zhì),經(jīng)加熱液態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?推動(dòng)渦輪機(jī)從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī);斯特林循環(huán)特點(diǎn)是不通過渦輪機(jī),而是采用往復(fù)式的可逆引擎發(fā)電。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式理論上可獲得的效率(可達(dá)40%)高于靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式,然而其工程化應(yīng)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(dǎo)致輻射散熱面積增大;二是高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件的潤滑;三是高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性矢量對(duì)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(bào)道在航天領(lǐng)域中應(yīng)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(jī)制分類

利用RI射線粒子的轉(zhuǎn)換機(jī)制主要有直接收集、輻射伏特效應(yīng)(對(duì)應(yīng)的發(fā)電裝置即RVIB)、壓電懸臂梁、射線致熒光伏特效應(yīng)、磁約束下粒子電磁輻射收集機(jī)制、衰變能耦合LC振蕩電路發(fā)電機(jī)制等。直接收集機(jī)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(yīng)機(jī)制是利用半導(dǎo)體器件的內(nèi)建電場分離半導(dǎo)體材料在 RI放出的高能粒子作用下產(chǎn)生的電子空穴對(duì),從而產(chǎn)生電流;壓電懸臂梁機(jī)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(gè)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(yīng)機(jī)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(yīng)下產(chǎn)生電流;磁約束下粒子電磁輻射收集機(jī)制是利用磁場約束RI輻射的β粒子,使其在回旋運(yùn)動(dòng)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(jī)制不直接用RI的衰變能來供能,而將其衰變能耦合進(jìn)已儲(chǔ)能的LC振蕩電路,補(bǔ)償振蕩電路固有阻抗對(duì)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(jī)制除了 RTG機(jī)制的同位素電池在美國和前蘇聯(lián)航天探測等強(qiáng)烈需求背景下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化,用于航天器、海軍深海監(jiān)聽設(shè)備等供電外,到目前為止,其它機(jī)制尚未見成品應(yīng)用的報(bào)道。

1 輻射伏特效應(yīng)同位素電池(RVIB)概述

在IC和MEMS基礎(chǔ)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(gè)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(yù)定的功能。合適的機(jī)載電源已成為制約其發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸問題。RVIB以其獨(dú)特的優(yōu)勢可望作為MS機(jī)載電源的最佳選擇。

RVIB是直接利用RI衰變時(shí)放出的粒子(α或β)轟擊半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),這些電子空穴對(duì)在半導(dǎo)體器件內(nèi)建電場的作用下實(shí)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(diǎn)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(dǎo)體元器件整合;3)不含運(yùn)動(dòng)部件,運(yùn)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(jì)50年代,但由于同位素制備、半導(dǎo)體制造等相關(guān)技術(shù)發(fā)展滯后,很長一段時(shí)間該領(lǐng)域研究未能有所突破;上世紀(jì)90年代后期開始,在MEMS等微小系統(tǒng)機(jī)載電源需求的牽引下,加之同位素、半導(dǎo)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(duì)換能單元的改進(jìn)上,如新結(jié)構(gòu)、新材料、新類型半導(dǎo)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(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)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(dá)40%[1],這一直吸引著人們對(duì)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(dǎo)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(bào)道了使用單晶硅倒三角直槽型器件(圖2)為換能單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:以2.37×106Bq(64μCi)液態(tài)63Ni作為驅(qū)動(dòng)源,在單元實(shí)驗(yàn)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(jì)算最大輸出功率P max和能量轉(zhuǎn)換效率η時(shí)未考慮填充因子FF(若按FF=0.6計(jì),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(dòng)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(bào)道了對(duì)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(dòng)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(bào)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(chǔ),通過提高 RI與半導(dǎo)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(shí)由于RI一般加載在三維結(jié)型器件孔道內(nèi),對(duì)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(duì)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(dǎo)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(yīng)用。

Gadeken[12]曾提出模板插入式氚化合物加載設(shè)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(shí)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(bào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬鈦粉末貯氫原子比可達(dá)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(bào)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(huì)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(yán)重。后來采用了改進(jìn)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(huì)破壞整個(gè)i區(qū)。對(duì)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(qiáng)。Deus[21]曾報(bào)道了氣態(tài)3H輻照無定形硅器件的實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(shí)上對(duì)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)體材料制作換能單元有利于提升轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而提高電池的電輸出性能。

許多寬帶隙半導(dǎo)體材料所具有的耐輻射能力強(qiáng)的特點(diǎn)也有利于 RVIB長時(shí)間持續(xù)輸出電性能的穩(wěn)定性,這就擴(kuò)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(dǎo)體器件換能單元只能選用低能β射線同位素作為驅(qū)動(dòng)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(bào)道了以AlGaAs(帶隙約1.9 eV)器件作為換能單元的實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(bào)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(dá)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(dǎo)體材料,其帶隙約3.4 eV,Honsberg和Mohamadian等分別報(bào)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(jì)算分析,GaN器件能量轉(zhuǎn)換效率為25%,相應(yīng)的單晶Si器件能量轉(zhuǎn)換效率為14%。在文獻(xiàn)[26]中還提到帶隙達(dá)5.8 eV的AlGaN材料器件,理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(shí)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(duì)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(jì)70年代,就有肖特基器件作為換能單元的報(bào)道,近年來的研究進(jìn)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(bào)道了一類接觸勢差器件作為RVIB換能單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以ScT x為驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)無定形硅介質(zhì)的小,但由于前者復(fù)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(bào)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料內(nèi)部,有利于提高轉(zhuǎn)換效率。圖11示出液體半導(dǎo)體材料器件RVIB結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)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(yù)期,通過不斷優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu),器件性能將會(huì)有很大的提升空間。液體半導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)器件材料受射線輻照的晶格損傷,避免了因?yàn)樵撛蚨霈F(xiàn)器件長時(shí)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(duì)于RVIB的開發(fā)應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

圖11 液體半導(dǎo)體材料器件RVIB

圖12 RVIB換能單元類型

3 RVIB用RI的選擇

RI對(duì)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(duì)的同時(shí),還伴隨產(chǎn)生其他輻射效應(yīng),這會(huì)造成電池在長時(shí)間供能過程中輸出電流的穩(wěn)定性波動(dòng)。一般來講,RVIB所用的驅(qū)動(dòng)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(xué)形態(tài)應(yīng)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(xué)形態(tài)的RI與密封材料不發(fā)生化學(xué)作用,且在高溫時(shí)仍能保持電池密封的可靠性;6)經(jīng)濟(jì)易得。

發(fā)射低能純?chǔ)碌腞I不易造成器件輻射損傷,無須附加屏蔽層,作為RVIB驅(qū)動(dòng)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(yīng)RVIB輸出功率較小。為提高輸出功率,若采用耐輻照能力較強(qiáng)的半導(dǎo)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(dòng)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(duì)微系統(tǒng)供電的要求。因此改善電輸出性能是實(shí)現(xiàn)RVIB工程化應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

對(duì)于 RVIB,電輸出性能用最大輸出功率P max作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。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(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)對(duì)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(duì)RVIB電性能的影響關(guān)系也很復(fù)雜,有時(shí)還出現(xiàn)一些矛盾的現(xiàn)象,如Isc、Voc對(duì)于各區(qū)域摻雜濃度的要求。從總體上講,P max是評(píng)價(jià)器件對(duì)射線能量利用效率的主要參數(shù),因此實(shí)現(xiàn) I sc、V oc和FF乘積最大值,是器件優(yōu)化的量化指標(biāo)。本研究小組曾設(shè)計(jì)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(dāng)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(shè)計(jì)對(duì)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(shí)現(xiàn)比常用63Ni源更大的(衰變)入射功率絕對(duì)值。本研究小組利用含氚鈦膜(含氚量為15.9 GBq,對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(dòng)源能量密度對(duì)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(duì)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(duì)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(yīng)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(gè)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(shí)在同一63Ni源輻照下的電輸出性能,并與兩只器件單獨(dú)輻照的結(jié)果進(jìn)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(dāng)以串聯(lián)的方式連接時(shí),其電輸出結(jié)果與單個(gè)器件相比,Isc和FF基本不變,V oc和η可達(dá)單個(gè)器件值的兩倍;而以并聯(lián)方式連接時(shí),Voc和FF基本不變,Isc和η大約提高到單個(gè)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(duì)半導(dǎo)體材料的性質(zhì)影響很大。對(duì)于以半導(dǎo)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,V oc隨溫度的變化約為-3 mV/K,在-40 ℃時(shí) ,其 V oc、FF 、η、P max分別可達(dá) 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(dāng)降低溫度對(duì)于 RVIB電性能的提升作用非常明顯。在RVIB可能的應(yīng)用中,如外太空、極地等環(huán)境溫度都遠(yuǎn)低于常溫,因此可以利用這一點(diǎn)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(xué)輸出性能還很低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定可靠以及易于與其他半導(dǎo)體系統(tǒng)整合等特點(diǎn),在作為MEMS等微小系統(tǒng)機(jī)載電源方面有著不可替代的優(yōu)勢。相信隨著新型半導(dǎo)體材料開發(fā),新類型半導(dǎo)體器件制作,性質(zhì)優(yōu)良 RI選擇應(yīng)用及其加載工藝優(yōu)化將大幅提升 RVIB的性能?？梢灶A(yù)期,在不久的將來,RVIB在國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)相關(guān)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用必將成為現(xiàn)實(shí)。

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