β辐致光伏效应同位素电池的设计、制备和温度影响研究

摘要

微电池技术是未来微机电系统（MEMS）发展的关键技术之一，然而现有的微电池技术并不能满足空间应用MEMS对其长寿命、无需燃料补给、性能稳定的要求。本文研发了一种可满足空间应用MEMS要求，实现“核能-光能-电能”间接换能的新型β辐致光伏效应同位素电池，并围绕该电池的结构设计、参数优化、样品制备以及环境温度对电池输出性能的影响展开了一系列的研究工作。
　　1）针对一种基于147Pm/ZnS:Cu/光伏组件的“三明治”式夹层结构的β辐致光伏效应同位素电池开展了理论设计研究。采用MCNP软件、Kubelka-Munk理论、精细平衡原理和肖克莱等式进行理论分析和计算，揭示了同位素源厚度、荧光层厚度以及半导体材料禁带宽度对β辐致光伏效应同位素电池输出性能的影响规律，并得到了同位素电池的最佳参数和相应条件下的输出性能。在质量厚度为5.92 mg/cm2的147Pm源激发下，ZnS:Cu最佳厚度和半导体最佳禁带宽度分别为12.8 mg/cm2和2.075 eV，此时电池取得了45.1μW/cm2的最大输出功率密度Pmax、15.36μW/cm2的短路电流密度Jsc、3.2 V的开路电压Voc和2.6％的能量转换效率ηT。
　　2）实验制备了基于147Pm源、六种材质的荧光层和GaAs光伏组件的β辐致光伏效应同位素电池。采用物理沉降法制备了不同厚度的荧光层并测量其光学性能，同时在荧光层加载条件下测试了β辐致光伏效应同位素电池的输出性能。研究结果表明：ZnS:Cu荧光层的辐致发光光谱与GaAs光伏组件的光电匹配最佳；在活度密度为2.9 mCi/cm2的147Pm源激发下，厚度为11 mg/cm2左右的ZnS:Cu荧光层的辐致发光光强最大，从而使得该同位素电池具有较高的能量转换效率。
　　3）研究了环境温度对147Pm/ZnS:Cu/GaAsβ辐致光伏效应同位素电池输出性能的影响规律。实验结果表明：随温度增加，Jsc稍微减小，Voc和Pmax迅速下降。同时，根据肖克莱等式对该电池输出性能的温度影响进行了计算，理论上得到了与实验相似的结论。
　　本文的研究工作为新型辐致光伏效应同位素电池的优化设计、制备研发提供了重要依据，将有力推动同位素电池作为MEMS器件微动力源的应用，也为下一步研发适用于空间环境的微型同位素电池奠定了技术基础。

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注释表

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 同位素电池发展现状与分析

1.3 存在的问题和本文的研究内容

第二章 β辐致光伏效应同位素电池的工作原理

2.1 β粒子与物质的相互作用

2.2 发光材料的β辐致发光原理

2.3 荧光在介质中的输运过程

2.4 光伏效应原理

2.5 本章小结

第三章 β辐致光伏效应同位素电池的设计和制备

3.1 β辐致光伏效应同位素电池的理论设计研究

3.2 β辐致光伏效应同位素电池的实验优化研究

3.3 理论优化和实验优化的对比

3.4 本章小结

第四章 147Pm/ZnS:Cu/GaAs平板结构的β辐致光伏效应同位素电池的温度影响研究

4.1 β辐致光伏效应同位素电池温度影响的实验研究

4.2 β辐致光伏效应同位素电池温度影响的理论研究

4.3 温度影响研究的实验与理论对比

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文