β輻致光伏效應同位素電池的設計、制備和溫度影響研究.pdf

1、微電池技術是未來微機電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展的關鍵技術之一，然而現(xiàn)有的微電池技術并不能滿足空間應用MEMS對其長壽命、無需燃料補給、性能穩(wěn)定的要求。本文研發(fā)了一種可滿足空間應用MEMS要求，實現(xiàn)“核能-光能-電能”間接換能的新型β輻致光伏效應同位素電池，并圍繞該電池的結(jié)構設計、參數(shù)優(yōu)化、樣品制備以及環(huán)境溫度對電池輸出性能的影響展開了一系列的研究工作。
　　1）針對一種基于147Pm/ZnS:Cu/光伏組件的“三明治”式夾層結(jié)構的β輻

2、致光伏效應同位素電池開展了理論設計研究。采用MCNP軟件、Kubelka-Munk理論、精細平衡原理和肖克萊等式進行理論分析和計算，揭示了同位素源厚度、熒光層厚度以及半導體材料禁帶寬度對β輻致光伏效應同位素電池輸出性能的影響規(guī)律，并得到了同位素電池的最佳參數(shù)和相應條件下的輸出性能。在質(zhì)量厚度為5.92 mg/cm2的147Pm源激發(fā)下，ZnS:Cu最佳厚度和半導體最佳禁帶寬度分別為12.8 mg/cm2和2.075 eV，此時電池取得了

3、45.1μW/cm2的最大輸出功率密度Pmax、15.36μW/cm2的短路電流密度Jsc、3.2 V的開路電壓Voc和2.6％的能量轉(zhuǎn)換效率ηT。
　　2）實驗制備了基于147Pm源、六種材質(zhì)的熒光層和GaAs光伏組件的β輻致光伏效應同位素電池。采用物理沉降法制備了不同厚度的熒光層并測量其光學性能，同時在熒光層加載條件下測試了β輻致光伏效應同位素電池的輸出性能。研究結(jié)果表明：ZnS:Cu熒光層的輻致發(fā)光光譜與GaAs光伏組件的光

4、電匹配最佳；在活度密度為2.9 mCi/cm2的147Pm源激發(fā)下，厚度為11 mg/cm2左右的ZnS:Cu熒光層的輻致發(fā)光光強最大，從而使得該同位素電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
　　3）研究了環(huán)境溫度對147Pm/ZnS:Cu/GaAsβ輻致光伏效應同位素電池輸出性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：隨溫度增加，Jsc稍微減小，Voc和Pmax迅速下降。同時，根據(jù)肖克萊等式對該電池輸出性能的溫度影響進行了計算，理論上得到了與實驗相似的