β輻致光伏效應(yīng)同位素電池的設(shè)計(jì)、制備和溫度影響研究.pdf

1、微電池技術(shù)是未來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，然而現(xiàn)有的微電池技術(shù)并不能滿足空間應(yīng)用MEMS對(duì)其長(zhǎng)壽命、無(wú)需燃料補(bǔ)給、性能穩(wěn)定的要求。本文研發(fā)了一種可滿足空間應(yīng)用MEMS要求，實(shí)現(xiàn)“核能-光能-電能”間接換能的新型β輻致光伏效應(yīng)同位素電池，并圍繞該電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、樣品制備以及環(huán)境溫度對(duì)電池輸出性能的影響展開了一系列的研究工作。
　　1）針對(duì)一種基于147Pm/ZnS:Cu/光伏組件的“三明治”式夾層結(jié)構(gòu)的β輻

2、致光伏效應(yīng)同位素電池開展了理論設(shè)計(jì)研究。采用MCNP軟件、Kubelka-Munk理論、精細(xì)平衡原理和肖克萊等式進(jìn)行理論分析和計(jì)算，揭示了同位素源厚度、熒光層厚度以及半導(dǎo)體材料禁帶寬度對(duì)β輻致光伏效應(yīng)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(yīng)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(dǎo)體最佳禁帶寬度分別為12.8 mg/cm2和2.075 eV，此時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(cè)量其光學(xué)性能，同時(shí)在熒光層加載條件下測(cè)試了β輻致光伏效應(yīng)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(qiáng)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(duì)147Pm/ZnS:Cu/GaAsβ輻致光伏效應(yīng)同位素電池輸出性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨溫度增加，Jsc稍微減小，Voc和Pmax迅速下降。同時(shí)，根據(jù)肖克萊等式對(duì)該電池輸出性能的溫度影響進(jìn)行了計(jì)算，理論上得到了與實(shí)驗(yàn)相似的