發(fā)布時(shí)間：2020-11-08 06:59

　　 隨著MEMS的迅速發(fā)展,相配套的微型電源也逐漸成為研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)微型電源存在需要補(bǔ)給、壽命短等局限性,不利于在環(huán)境惡劣、人類難以到達(dá)的環(huán)境中使用。β輻射伏特效應(yīng)核電池具有體積小、能量密度大、不受外界環(huán)境影響、無需人工維護(hù)等特點(diǎn),是MEMS微電源的理想選擇。研究表明,寬禁帶半導(dǎo)體制成的核電池具有更強(qiáng)的抗輻射性能和更高的轉(zhuǎn)化效率,但在β輻射伏特效應(yīng)核電池方面研究較多的寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC、GaN生長需要較高的溫度并且成本較高;另外,寬禁帶半導(dǎo)體材料的摻雜研究目前不夠成熟,需要根據(jù)現(xiàn)有的工藝水平選擇器件類型;由于放射源會持續(xù)衰變,導(dǎo)致放射源組成成分和密度的改變,隨著時(shí)間推移,核電池的電學(xué)性能變化情況也需要加以考慮,但目前的核電池研究主要集中在換能器件材料和結(jié)構(gòu)方面,核電池長期電學(xué)性能的研究較為缺乏。本文的主要工作分為三部分:ZnO基同質(zhì)pn結(jié)型核電池電學(xué)特性研究;時(shí)間因素對于使用~(63)Ni放射源的ZnO基同質(zhì)pn結(jié)及肖特基型核電池電學(xué)特性的影響及比較;時(shí)間因素對于使用TiT_2放射源的核電池電學(xué)性能的影響。這些工作可為β輻射伏特效應(yīng)核電池的工作穩(wěn)定性研究、性能評估、性能改進(jìn)等方面提供理論支持。其具體內(nèi)容為:選用更為經(jīng)濟(jì)、抗輻射能力更強(qiáng)的寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO,給出ZnO基同質(zhì)pn結(jié)和多種肖特基器件作為β輻射伏特效應(yīng)核電池?fù)Q能器件時(shí)合適的摻雜濃度范圍;使用~(63)Ni放射源,討論時(shí)間因素對放射源自吸收情況、器件能量沉積情況及核電池電學(xué)性能的影響,并給出pn結(jié)及肖特基型核電池使用壽命情況;選用最常見的固態(tài)氚源TiT_2,考慮氚的衰變、泄漏、放射源的體積膨脹、~3He貯存和釋放情況,計(jì)算得出放射源成分、密度、電子密度隨時(shí)間變化情況,使用MCNP5程序給出TiT_2源自吸收、pn結(jié)型器件能量沉積隨時(shí)間變化情況,評估時(shí)間因素對放射源以及核電池各電學(xué)性能的影響。結(jié)果如下:1.ZnO具有與GaN相近、比SiC更大的禁帶寬度,較高的理論轉(zhuǎn)化效率,適中的密度和電子密度,所制成的器件有利于微型化;在工藝方面,ZnO的生長更為容易,不需要較高溫度,通過使用同質(zhì)襯底可以獲得缺陷較少的器件;ZnO的抗輻射性能顯著高于GaN等常見半導(dǎo)體材料,并且安全無毒、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、成本較低,因此可作為β輻射伏特效應(yīng)核電池的換能材料。2.初始時(shí)間下,對于~(63)Ni、~(147)Pm和TiT_2這三種固體放射源,自吸收效應(yīng)會導(dǎo)致出射活度和出射功率不會隨厚度增加而線性增加,而是先增大后逐漸趨于不變;自吸收率則隨放射源厚度增大而持續(xù)增加。因此須選定合適的放射源厚度,使放射源的出射活度相對較大,而自吸收率相對較小。3.對于ZnO基pn結(jié)型β輻射伏特效應(yīng)核電池,若使用~(63)Ni放射源,則器件的厚度應(yīng)不小于17μm,若使用~(147)Pm放射源,則器件厚度應(yīng)不小于118μm;核電池的內(nèi)建電勢隨摻雜濃度的增大而增加,耗盡層寬度隨摻雜濃度的增大而減小;若使用典型摻雜濃度的pn結(jié)(N_A=10~177 cm~(-3),N_D=10~166 cm~(-3))則有大量能量沉積在耗盡層之外的區(qū)域,導(dǎo)致能量利用率低;若需要提高核電池的電學(xué)性能,則可以通過降低摻雜濃度,從而增大耗盡層寬度,使更多能量沉積在耗盡層中。4.對于n型ZnO材料,Au、Pd、Ni、Pt金屬更適合制備肖特基型接觸,Al、Ag和Ti更適合制備歐姆接觸;對于給定厚度的~(63)Ni放射源,在200年時(shí)間內(nèi),源表面出射功率大致呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律,自吸收率大致呈現(xiàn)上升規(guī)律,但上升幅度不大;隨著時(shí)間的推移,肖特基和pn結(jié)型器件有效層內(nèi)能量沉積呈現(xiàn)極為微小的下降趨勢;各個器件中,ZnO基pn結(jié)型核電池具有最佳的電學(xué)性能和最長的使用壽命,在肖特基器件中,Pt/ZnO器件具有最高的開路電壓、填充因子、最大輸出功率和轉(zhuǎn)化效率,Ni/ZnO器件具有最大的短路電流;Pt/ZnO和Ni/ZnO器件具有較長的使用壽命;雖然肖特基型器件的電學(xué)性能稍差,但它們具有不依賴p型半導(dǎo)體、制作簡單、抗輻射性能更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),依然可以作為pn結(jié)型核電池的替代品。5.時(shí)間因素對于TiT_2放射源的影響因素主要有:氚的衰變導(dǎo)致放射源活度下降;衰變產(chǎn)物~3He貯存在TiT_2晶格中,使晶格發(fā)生膨脹,增大放射源的體積,降低密度,改變放射源的組成成分;晶格中~3He達(dá)到一定比例后,~3He從晶格中快速釋放;TiT_2吸附的氚會發(fā)生泄漏,降低放射源的活度。若選用總活度為297.56mCi的放射源,隨著時(shí)間的推移,放射源中的氚含量近線性下降,~3He含量近線性上升,之后到達(dá)飽和原子比;放射源的密度、總活度、表面出射活度近線性下降,自吸收率、表面出射平均能量隨時(shí)間的推移大致呈現(xiàn)下降趨勢,器件有效層內(nèi)能量沉積呈現(xiàn)上升趨勢;對于使用該放射源的pn結(jié)型核電池,開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)化效率呈加速下降趨勢,短路電流和最大出射功率呈現(xiàn)近直線下降趨勢;~3He在TiT_2晶格內(nèi)達(dá)到飽和的時(shí)間約為3.5年,在此之后,放射源開始放出~3He氣體;約10.5年,電池的短路電流和最大出射功率僅剩初始時(shí)刻的1%,已經(jīng)不適合使用;約10.73年,放射源吸收的~3H由于泄漏和衰變完全消耗,核電池完全失效。綜合考慮各種因素,3.5年內(nèi)為此種核電池最適合使用的時(shí)間,此時(shí)放射源沒有~3He放出,且開路電壓、短路電流和最大出射功率均未發(fā)生快速下降。本文的創(chuàng)新點(diǎn)為:首次使用成本低廉、生長容易、抗輻射性能更強(qiáng)的寬禁帶半導(dǎo)體ZnO作為β輻射伏特效應(yīng)核電池的換能材料,有望顯著降低核電池的生產(chǎn)成本,減輕輻射損傷對于核電池電學(xué)性能的負(fù)面影響;選用多種肖特基型器件,系統(tǒng)比較ZnO基pn結(jié)型與肖特基型核電池的電學(xué)性能,并且給出了一種評估核電池使用壽命的方法;將材料特性與原子核衰變屬性相互關(guān)聯(lián),系統(tǒng)研究時(shí)間因素對于使用~(63)Ni和TiT_2放射源的核電池電學(xué)性能的影響,彌補(bǔ)了目前核電池研究中對于電池長期工作特性研究不足的缺陷。本文的研究結(jié)果表明,肖特基型器件可以使更多新型半導(dǎo)體在β輻射伏特效應(yīng)核電池領(lǐng)域得到應(yīng)用;由于放射源衰變中存在密度、組成成分等變化,這些變化可能加速核電池電學(xué)性能的下降,因此在核電池的長期使用過程中,必須考慮時(shí)間因素的影響。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TM918
【部分圖文】：

吉林大學(xué)學(xué)位論文2與使用的同位素直接相關(guān)，其中使用147Pm、90Sr的種類和通常使用α源的熱電轉(zhuǎn)換式核電池(RTG)具有相對較高的功率密度，與化學(xué)電池和燃料電池相當(dāng)；但使用63Ni和氚源的核電池功率密度較低。核電池在設(shè)計(jì)時(shí)考慮長期使用情況，使用的放射性核素半衰期較長，因此持續(xù)壽命也較長，一般在1年以上，顯著高于其他類型的電池；另外，核電池的能量密度極高，可高于傳統(tǒng)電池3~5個數(shù)量級。因此，核電池的適用領(lǐng)域?yàn)樾枰�低功率長期供電的場合。由于核電池的核心是原子核的衰變，而衰變過程是自發(fā)的，并且不受外界環(huán)境影響，因此核電池也具有極強(qiáng)的抗外界干擾能力，在供電過程中不需要人工參與，也不需要保養(yǎng)和維護(hù)；極高的能量密度使核電池可以做得很小，適合小型或微型器件供電。綜合以上因素，可見微型核電池是MEMS電源的理想選擇[4]。目前，最有前景的微型核電池類型——β輻射伏特效應(yīng)核電池電壓為伏特量級，功率為μW~mW量級，單獨(dú)使用或制成電池陣列可為表1.1中的超低功率器件供能。圖1.1微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域及微型電源

第1章緒論3圖1.2超級電容器、化學(xué)電池、化石燃料、核電池能量比較圖(Ragoneplot)，橫軸為功率密度，縱軸為能量密度，斜線為時(shí)間�？梢姾穗姵鼐哂心芰棵芏雀摺⒐╇姇r(shí)間長的特點(diǎn)，但功率密度相對較低。表1.1部分超低功率器件性能數(shù)據(jù)[5]器件類型型號或生產(chǎn)商功耗電壓電流4-bit處理器S-13L40AFSeiko0.3mW1.2V0.25mA16-bit處理器MSP430F11xTexasInstruments1.1μW2.2V1.6μA壓力傳感器LucasNovaSensor0.2mW0.1V2mA晶體振蕩器HA7210HarrisSemicond.15μW2-7V5μA@32kHz心臟起搏器WilsonGreatbatchInc.___2.8V0.4msecpulses放大器AD627AnalogDevices0.2mW2.2V85μA

吉林大學(xué)學(xué)位論文8圖1.4核電池分類方式1.4核電池的應(yīng)用核電池具有壽命長、不需要人工干預(yù)、工作穩(wěn)定、不受外界影響、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此能夠應(yīng)用于環(huán)境惡劣、需要長期工作、人類難以到達(dá)的多種場合，包括空間探測、深海、深地、極地、偏遠(yuǎn)地區(qū)、心臟起搏器等。太空中的儀器設(shè)備接受太陽光極少，并且要在具有強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁嘗微粒襲擊等情況的惡劣環(huán)境下長期工作，因此太陽能電池、蓄電池、燃料電池等傳統(tǒng)類型電池不適合使用，而核電池能夠完全滿足這些要求。歷史上，空間探測是核電池最早的應(yīng)用領(lǐng)域，主要使用熱電轉(zhuǎn)換式核電池(RTG)。1956年，美國首先制定了核動力輔助計(jì)劃(SNAP)，用來給軍用衛(wèi)星等設(shè)備提供動力[26]。1961年，美國成功發(fā)射了載有SNAP-3B7型RTG的導(dǎo)航衛(wèi)星，使用的放射性同位素為239Pu，這是核電池在空間探測領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用[27,28]。1965年，前蘇聯(lián)在軍事通訊衛(wèi)星上使用了含有210Po的RTG，作為衛(wèi)星的輔助電源。隨后，核電池被廣泛應(yīng)用在美蘇（俄）兩國的其他空間探測設(shè)備上，包括月球車、月球試驗(yàn)站、星際探測器等。這些核電池在惡劣的太空環(huán)境下工作相當(dāng)穩(wěn)定，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可超過設(shè)計(jì)壽命，即使在發(fā)射失敗墜海的情況下也不會發(fā)生放射性同位素泄漏事件。目前，為了適應(yīng)多樣化的空間條件，人們逐漸開發(fā)多種新型核電池，包括既適用于真空環(huán)境也適用于氣體環(huán)境下的MMRTG[29]、能夠更加高效地利用衰變熱能的通用熱
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 何瑞;陸景彬;劉玉敏;李瀟祎;鄭人洲;許旭;王皓迪;;β輻射伏特效應(yīng)核電池的研發(fā)現(xiàn)狀[J];核電子學(xué)與探測技術(shù);2019年03期

2 ;俄羅斯研制成功基于鎳-63的大容量核電池 續(xù)航可超百年[J];上海節(jié)能;2018年06期

3 劉義鶴;江洪;;全球核電池技術(shù)進(jìn)展初探[J];新材料產(chǎn)業(yè);2018年09期

4 KJ.1018;;俄羅斯研發(fā)出連續(xù)100年不斷電的小型核電池[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2016年23期

5 ;NASA核電池技術(shù)取得重大突破[J];農(nóng)村電工;2017年02期

6 戴定;伍浩松;;俄羅斯展示鎳-63電池樣品[J];國外核新聞;2017年08期

7 毛富利;;核電池技術(shù):將再也不用充電了?[J];科學(xué)中國人;2019年09期

8 魯楠;;開一輛核電池汽車周游世界[J];少兒科技;2015年01期

9 楊凱;;神奇的核電池[J];第二課堂(B);2015年Z1期

10 喬喻;嚴(yán)瀟;陳微;;超級電池——核電池[J];十萬個為什么;2015年Z2期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李瀟祎;ZnO基β輻射伏特效應(yīng)核電池及時(shí)間特性的研究[D];吉林大學(xué);2020年

2 楊柳;石墨烯增強(qiáng)微型核電池建模及輸出特性研究[D];成都理工大學(xué);2018年

3 劉玉敏;β輻射伏特效應(yīng)微型核電池的研究[D];吉林大學(xué);2018年

4 王輝東;中子活化煤質(zhì)在線分析及β輻射伏特核電池能量輸運(yùn)研究[D];吉林大學(xué);2012年

5 郭巖;大氣環(huán)境ZnO基鈣鈦礦太陽能電池制備及性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

6 Ali Hassan;ZnO和GZO薄膜光電性能研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2018年

7 任璐;納米結(jié)構(gòu)TiO_2、ZnO的制備及其光催化性能的研究[D];武漢理工大學(xué);2016年

8 王倜;原子層沉積方法制備非極性面ZnO異質(zhì)結(jié)及其物性研究[D];武漢大學(xué);2013年

9 王歡;還原氧化石墨烯及氧化石墨烯/ZnO復(fù)合物的制備及其光、電性能研究[D];吉林大學(xué);2012年

10 劉鳳娟;ZnO基薄膜的生長及其紫外光敏電阻器的研制[D];北京交通大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 何瑞;基于~(63)Ni、~(147)Pm和~3H源的GaAs基β輻射伏特效應(yīng)核電池理論輸出性能的計(jì)算與比較[D];吉林大學(xué);2019年

2 李瀟祎;以ZnO為換能材料的β輻射伏特效應(yīng)核電池可行性探究[D];吉林大學(xué);2017年

3 歐頻;直接充電式核電池效率影響因素理論研究[D];南華大學(xué);2012年

4 董永永;ZnO多級結(jié)構(gòu)納米材料的制備及其光催化性能[D];西北師范大學(xué);2017年

5 楊笑江;ZnO基雙色探測器的制備及研究[D];長春理工大學(xué);2019年

6 申野;ZnO基阻變存儲器的制備工藝及性能探究[D];電子科技大學(xué);2019年

7 王松;納米棉纖維/ZnO基復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究[D];浙江理工大學(xué);2019年

8 馬楊;基于ZnO豎直納米棒陣列的光探測器研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

9 盧學(xué)良;摻鎂ZnO基固體裝配型薄膜體聲波諧振器研究[D];上海交通大學(xué);2017年

10 朱珂欣;ZnO基納米異質(zhì)結(jié)的制備與光催化性能研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2019年

本文編號：2874442