一種熒光層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著人口數(shù)量與生活水平的發(fā)展提升，對能源的需求量也與日倶增，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)，人類對能源也提出了更高的要求。在超低 功率裝置和自動控制系統(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)勢的核電池 可以很好的滿足這些特定需求，成為未來能源發(fā)展的首要候選者。
[0003] 核電池，又稱為同位素電池，它是一種利用放射源衰變釋放的載能粒子（如a、0 粒子和Y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 池和焚光體光電式核電池。
[0004] 核電池直接轉(zhuǎn)換類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?。該類?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 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，載流子在內(nèi)電場的作用下定向移 動，建立電勢。該類核電池使用的換能單元PN結(jié)對射線較敏感，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，對電池的性能存在一定的約束性。
[0005] 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 福射對半導(dǎo)體材料損傷問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種熒光層的制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中 輻射伏特效應(yīng)核電池中半導(dǎo)體易輻照損傷的問題。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案： 一種熒光層的制備方法，包括如下步驟， 步驟1、在質(zhì)量濃度為0. 5-1%硅酸鉀溶液中加入ZnS:Cu熒光粉充分?jǐn)嚢?，?步驟2、加入質(zhì)量濃度為0. 1-0. 3%硝酸鋇溶液，繼續(xù)攪拌； 步驟3、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4、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 得所需的熒光層。
[0008] 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，其中A熒光粉的質(zhì)量，P為熒光粉的密度， ^為玻璃器皿的底面積，A為熒光層的厚度； 所述的自然沉降時(shí)間為l_5h; 所述步驟2中的烘干溫度為200-300°C，烘干時(shí)間為0. 5h。
[0009] 所述熒光層用于熒光核電池中，所述核電池包括密封外殼、放射源層、半導(dǎo)體光伏 組件、熒光層，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， 其特征在于，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。
[0010] 所述放射源層為0放射源。
[0011] 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，工藝相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所需條件較易獲得。
[0012] 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，延長核電池的使用壽命。
[0013] 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。
[0014] 4、本發(fā)明的核電池可移動性和安全性能好，適用于監(jiān)測器、信號接收器和微控制 器等電子器件方面。
[0015] 5、采用疊層排布方式將0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。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明： 一種熒光層的制備方法，包括如下步驟， 步驟1、在質(zhì)量濃度為0. 5-1%硅酸鉀溶液中加入ZnS:Cu熒光粉充分?jǐn)嚢?，?步驟2、加入質(zhì)量濃度為0. 1-0. 3%硝酸鋇溶液，繼續(xù)攪拌； 步驟3、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4、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 得所需的熒光層。
[0017] 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=聲&，其中?為熒光粉的質(zhì)量，P為熒光粉的密度， ^為玻璃器皿的底面積，A為熒光層的厚度； 所述的自然沉降時(shí)間為l_5h; 所述步驟2中的烘干溫度為200-300°C，烘干時(shí)間為0. 5h。
[0018] 所述熒光層用于熒光核電池中，所述核電池包括密封外殼、放射源層、半導(dǎo)體光伏 組件、熒光層，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， 其特征在于，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。
[0019] 所述放射源層為0放射源。
[0020] 上述基于三結(jié)光伏材料的疊層結(jié)構(gòu)核電池可通過以下方法制備得到： 步驟一、選取尺寸為30mm*30mm*0. 5mm，透光率為95%，耐1000°C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70ym的ZnS:Cu熒光層5， 將沉積后的樣品放置在250°C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，長方體狀，高30mm， 底面為40mm*35mm的長方開$，內(nèi)部為空心，同樣為長方體形狀，其深度為20mm，底面為 35mm*30mm的長方形，在其中一個(gè)側(cè)面距離底部高約12mm處開鑿留出一個(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5ym; 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。
[0021] 測試結(jié)果表明，基于70ym的ZnS:Cu焚光層的福致焚光轉(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，填充因子在0.34左右， 能量轉(zhuǎn)換效率在5. 1E-2%以上。
[0022] 本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明中已經(jīng)討論過的各種操作、方法、流程 中的步驟、措施、方案可以被交替、更改、組合或刪除。進(jìn)一步地，具有本發(fā)明中已經(jīng)討論過 的各種操作、方法、流程中的其他步驟、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、組合或 刪除。進(jìn)一步地，現(xiàn)有技術(shù)中的具有與本發(fā)明中公開的各種操作、方法、流程中的步驟、措 施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、組合或刪除。
[0023] 以上所述僅是本發(fā)明的部分實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種熒光層的制備方法，其特征在于：包括如下步驟， 步驟1、在質(zhì)量濃度為0. 5-1%硅酸鉀溶液中加入ZnS=Cu熒光粉充分?jǐn)嚢?，? 步驟2、加入質(zhì)量濃度為0. 1-0. 3%硝酸鋇溶液，繼續(xù)攪拌； 步驟3、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4、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 得所需的熒光層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光層的制備方法，其特征在于： 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)置其中?為熒光粉的質(zhì)量，P為熒光粉的密度，為 玻璃器皿的底面積，A為熒光層的厚度； 所述的自然沉降時(shí)間為l_5h。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光層的制備方法，其特征在于： 所述步驟2中的烘干溫度為200-300°C，烘干時(shí)間為0. 5h。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光層的制備方法，其特征在于：所述熒光層用于熒光核電 池中，所述核電池包括密封外殼、放射源層、半導(dǎo)體光伏組件、熒光層，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，其特征在于，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。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熒光層在核電池中的應(yīng)用，其特征在于：所述放射源層為0 放射源。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熒光層的制備方法，通過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，利用熒光層作為輻射能到電能的中間換能媒介，有效隔離了放射源對半導(dǎo)體光伏組件的輻射損傷，延長核電池的使用壽命，解決了現(xiàn)有技術(shù)中輻射伏特效應(yīng)核電池中半導(dǎo)體易輻照損傷的問題。本發(fā)明的核電池可移動性和安全性能好，適用于監(jiān)測器、信號接收器和微控制器等電子器件方面。
【IPC分類】G21H1/12, C09K11/56
【公開號】CN105131943
【申請?zhí)枴緾N201510459971
【發(fā)明人】馮方敏
【申請人】蘇州宏展信息科技有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月31日