量子点辐致荧光效应核电池

摘要

本发明公开了量子点辐致荧光效应核电池，涉及核能应用领域,包括密封外壳、放射源、量子点荧光层、半导体光伏组件,所述半导体光伏组件包括半导体，前电极和背电极，所述密封外壳内设置所述放射源，所述量子点荧光层覆盖在所述放射源具有放射性的表面上，并且厚度小于或等于放射性粒子在所述量子点荧光层中的射程，所述半导体光伏组件的前电极覆盖所述量子点荧光层，所述量子点荧光层中的量子点荧光材料为全无机钙钛矿。本发明可通过调控量子点组分和尺寸调控荧光层的发射波长，获得更优异的核电池输出性能。

说明书

技术领域

本发明涉及核能应用领域，尤其涉及量子点辐致荧光效应核电池。

背景技术

核电池，又称为放射性同位素电池，是利用放射性同位素自发衰变过程中放出的载能粒子（如α粒子、β粒子和γ/X射线）或由载能粒子引起的热效应或光效应等转换为电能的装置。因其尺寸小、重量轻、寿命长、环境适应能力强、工作温度范围宽和输出功率稳定等优势，在MEMS微机电系统、超低功率装置、自动控制系统等很多领域，尤其针对器件更换和维修较为困难的恶劣环境，核电池具备着极大的潜在利用价值。

1957年，美国Elgin-Kidde首次提出将147Pm与荧光材料CdS混合组成发光体，再利用半导体材料Si吸收荧光转换成电输出。90年代初，美国Sims和Walko等人提出利用气态氚源和ZnS:Ag荧光粉混合形成气凝胶状发光光源，再利用GaP光伏单元实现光电转换。

2015年，美国路易斯安那理工大学的Ashish Sharma等人联合NASA格林研究中心也尝试了在辐致伏特效应核电池的基础上，添加闪烁体作为中间换能材料来改进电池性能，研究表明辐致光伏效应的间接换能确实可以优于辐致伏特效应的直接换能。

然而,传统的荧光材料如荧光粉、闪烁体等作为中间换能材料,他们的发射光谱不可调控。因此，对于不同类型的半导体光伏组件，传统的荧光材料制成的荧光层并不能完美适配，从而影响了电池输出性能，偏离理论计算预测的最优值，不能实现最好的换能效果。

综上，目前缺乏一种电池，能调控荧光材料的发射波长，通过调控发射波长从而适配于不同的半导体光伏组件，使得电池输出性能接近理论计算预测的最佳值，提升核电池整体输出性能。

发明内容

本发明提供了量子点辐致荧光效应核电池，通过调控量子点荧光层的组分和尺寸调控发射波长，从而获得更优异的核电池输出性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

量子点荧光层的制备方法，其特征在于,包括：

S1、将甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯或者苯乙烯和聚苯乙烯x：10-x，x=6-8的比例在55-75 ℃下磁力搅拌1-3h，待聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解后得到溶胶；

S2、在手套箱中，将所述溶胶在0.6-0.8Mpa下抽真空1-2h，去除溶胶中溶解的空气，抽真空后在避光处静置24h，待溶胶化学性质稳定；

S3、将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和所述量子点荧光材料加入所述溶胶中，在室温条件下磁力搅拌1-3h得到混合液，其中，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和所述量子点荧光材料的质量比为10y：y：10y：100-22y，y=0.1-0.5，2，5-二苯基噁唑是发光剂，1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯是移波剂，偶氮二异丁腈是固化剂；

S4、将所述混合液倾注于钢模中，将所述钢模放置于真空烘箱中抽真空1h后，先通过45-55℃下低温预聚合24h后逐步升温至80-90℃聚合3-5h，得到聚合物；

S5、将所述钢模取出并将底部浸入水中冷却15-30min后，将所述聚合物脱模，所述聚合物即为所述量子点荧光层。

进一步的，钢模为长方体，尺寸为a mm*a mm*b mm，a=20-30 mm，b=1-10 mm。

进一步的，钢模为圆柱体，直径为a mm，高为b mm，a=20-30 mm，b=1-10 mm。

进一步的，甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯或者苯乙烯和聚苯乙烯和混合比例为7:3。

本发明提供了利用量子点荧光层的制备方法制备得到的量子点荧光层。

本发明还提供了量子点辐致荧光效应核电池，包括:密封外壳、放射源、量子点荧光层、半导体光伏组件,所述半导体光伏组件包括半导体，前电极和背电极，所述密封外壳内设置所述放射源，所述量子点荧光层覆盖在所述放射源具有放射性的表面上，并且厚度小于或等于所述放射源的放射性粒子在所述量子点荧光层中的射程，所述半导体光伏组件的前电极覆盖所述量子点荧光层，所述量子点荧光层中的量子点荧光材料为全无机钙钛矿。

进一步的，所述放射源包括α源、β源、γ源，所述放射源为单面放射源、双面放射源、圆柱状体放射源。

进一步的,所述全无机钙钛矿的化学式为CsPbX₃，其中X为卤素，包括Cl、Br、I。

进一步的,所述半导体采用InGaP、GaAs、Ge中的一种，所述前电极采用Au、Ge、Ni中的一种。

本发明的有益效果是：

本发明中量子点荧光层采用全无机钙钛矿作为荧光材料，全无机钙钛矿的发射频谱可调控，量子点荧光层通过调控自身尺寸和全无机钙钛矿的组分，使得发射波长适配于配套的半导体光伏组件，进而使得量子点荧光层的换能效果接近理论计算预测的最优值，提高换能效果，从而提升电池整体输出性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一的示意图；

图2是本发明实施例一的俯视图；

图3是本发明中量子点荧光层示意图。

图4是本发明中半导体光伏组件的示意图；

图5是本发明中量子点荧光层与半导体光伏组件的安装位置示意图；

图6是本发明放射源、量子点荧光层和半导体光伏组件的安装示意图；

图7是不同物理参数CsPbBr₃量子点荧光层的辐致荧光光谱图。

其中，1-螺丝，2-密封外壳，3-非放射性金属，4-放射性金属，5-量子点荧光层，6-前电极，7-半导体，8-背电极。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一

量子点荧光层的制备方法包括：

S1、取甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯，以7:3的比例在55℃下磁力搅拌均匀，使聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解并配置成溶胶；

S2、在0.6Mpa下抽真空1h，去除溶胶中溶解的空气，并在避光处静置24h，待溶胶化学性质稳定。

S3、在手套箱中，将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbBr₃量子点材料加入溶胶，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbBr₃量子点材料的质量比为2：0.2：0.2：2：95.6，在室温条件下磁力搅拌1h；

S4、将S3中的溶胶倾注于定制的钢模中，定制方形钢模的尺寸为30 mm*30 mm*1 mm并在真空烘箱中抽真空1h后，45℃下低温预聚合24h后逐步升温至80℃聚合3h；

S5、将模具底部浸入水中冷却15min，即可脱模，得到厚度为71μm的CsPbBr₃，即为量子点荧光层。

量子点辐致荧光效应核电池，如图1和图2,所示，包括：密封外壳2、放射源、量子点荧光层5、半导体光伏组件。

放射源是双面放射源，包括非放射性金属3和放射性金属4，放射性金属4放置在非放射性金属3的中心位置，两者一体结构，厚度约为5 μm，非放射性金属3是金属镍，放射性金属4是金属镍-63。

量子点荧光层5厚度小于或等于放射性粒子在荧光层中的射程。

半导体光伏组件包括半导体7，前电极6和背电极8。半导体7是采用MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀）技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的。前电极6采用梳状密栅式，主栅位于半导体光伏组件表面的活性区边缘，垂直于细栅。

密封外壳2的尺寸为40 mm*40 mm*60 mm，内部为空心，空心部分的尺寸为35 mm*30 mm *40 mm，地面为的矩形，在密封外壳的顶面和地面开凿出半径为1 mm的圆形孔洞。

密封外壳2中间放置放射源，放射源是双面放射源，上下平面均覆盖量子点荧光层5，量子点荧光层5的另一面紧贴半导体光伏组件的前电极6。前电极6另一面依次叠加半导体7和背电极8，前电极6和背电极8和导线焊接，导线通过密封外壳2上的孔洞引出，密封外壳2顶面和底面的四个角通过螺丝1紧固。

实施例二

量子点荧光层的制备方法包括：

S1、取甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯，以6:4的比例在60℃下磁力搅拌均匀，使甲基丙烯酸甲酯完全溶解并配置成溶胶；

S2、在0.7Mpa下抽真空1.5h，去除溶胶中溶解的空气，并在避光处静置24 h，待溶胶化学性质稳定；

S3、在手套箱中将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbBr₃量子点材料加入溶胶中，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbX₃量子点材料的质量比为3：0.3：0.3：3：93.4，在室温条件下磁力搅拌2h使填料与基体材料混合均匀；

S4、将S3的溶胶倾注于定制的钢模中，定制方形钢模的尺寸为30 mm*30 mm*3 mm并在真空烘箱中抽真空2h后，50℃下低温预聚合24h后逐步升温至85 ℃聚合3h；

S5、将钢模底部浸入水中冷却20min，即可脱模，得到厚度为141μm的CsPbX₃量子点荧光层。

量子点辐致荧光效应核电池，包括：密封外壳2、放射源、量子点荧光层5、半导体光伏组件。

放射源是双面放射源，包括非放射性金属3和放射性金属4，放射性金属4放置在非放射性金属3的中心位置，两者一体结构，厚度约为5μm，非放射性金属3是金属镍，放射性金属4是金属镍-63。

量子点荧光层5厚度小于或等于放射性粒子在荧光层中的射程。

半导体光伏组件包括半导体7，前电极6和背电极8。半导体7是采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的。前电极6采用梳状密栅式，主栅位于半导体光伏组件表面的活性区边缘，垂直于细栅。

密封外壳2的尺寸为40 mm*40 mm*60 mm，内部为空心，空心部分的尺寸为35 mm*30 mm*40 mm，地面为的矩形，在密封外壳的顶面和地面开凿出半径为1 mm的圆形孔洞。

密封外壳2中间放置放射源，放射源是双面放射源，上下平面均覆盖量子点荧光层5，量子点荧光层5的另一面紧贴半导体光伏组件的前电极6。前电极6另一面依次叠加半导体7和背电极8，前电极6和背电极8和导线焊接，导线通过密封外壳2上的孔洞引出，密封外壳2顶面和底面的四个角通过螺丝1紧固。

实施例三

量子点荧光层的制备方法包括：

S1、取甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯，以8:2的比例在70 ℃下磁力搅拌均匀，使甲基丙烯酸甲酯完全溶解并配置成溶胶；

S2、在0.7Mpa下抽真空2 h，去除溶胶中溶解的空气，并在避光处静置24 h，待溶胶化学性质稳定。

S3、在手套箱中将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbBr₃量子点材料加入步骤一中的基体材料中，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbBr₃量子点材料的质量比为4：0.4：0.4：4：91.2，在室温条件下磁力搅拌2h；

S4、将S3的溶胶倾注于定制的钢模中，定制方形钢模的尺寸为30 mm*30 mm*5 mm并在真空烘箱中抽真空1h后，45-55 ℃下低温预聚合24h后逐步升温至80-90 ℃聚合4h；

S5、将模具底部浸入水中冷却30 min，即可脱模，得到厚度为273μm的CsPbX₃量子点荧光层。

量子点辐致荧光效应核电池，包括：密封外壳2、放射源、量子点荧光层5、半导体光伏组件。

放射源是双面放射源，包括非放射性金属3和放射性金属4，放射性金属4放置在非放射性金属3的中心位置，两者一体结构，厚度约为5 μm，非放射性金属3是金属镍，放射性金属4是金属镍-63。

量子点荧光层5厚度小于或等于放射性粒子在荧光层中的射程。

半导体光伏组件包括半导体7，前电极6和背电极8。半导体7是采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的。前电极6采用梳状密栅式，主栅位于半导体光伏组件表面的活性区边缘，垂直于细栅。

密封外壳2的尺寸为40 mm*40 mm*60 mm，内部为空心，空心部分的尺寸为35 mm*30 mm *40 mm，地面为的矩形，在密封外壳的顶面和地面开凿出半径为1 mm的圆形孔洞。

密封外壳2中间放置放射源，放射源是双面放射源，上下平面均覆盖量子点荧光层5，量子点荧光层5的另一面紧贴半导体光伏组件的前电极6。前电极6另一面依次叠加半导体7和背电极8，前电极6和背电极8和导线焊接，导线通过密封外壳2上的孔洞引出，密封外壳2顶面和底面的四个角通过螺丝1紧固。

实施例四

量子点荧光层的制备方法包括：

S1、取苯乙烯和聚苯乙烯，以7:3的比例在50℃下磁力搅拌均匀，使聚苯乙烯完全溶解并配置成溶胶；

S2、在0.8 Mpa下抽真空2 h，去除溶胶中溶解的空气，并在避光处静置24h，待溶胶化学性质稳定；

S3、在手套箱中将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbCl₃量子点材料加入溶胶中，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbCl₃量子点材料的质量比为4：0.4：0.4：4：91.2，在室温条件下磁力搅拌3h；

S4、将S3中的溶胶倾注于定制的钢模中，定制方形钢模的尺寸为30 mm*30 mm*3 mm并在真空烘箱中抽真空3 h后，45-55 ℃下低温预聚合24 h后逐步升温至80-90 ℃聚合5h；

S5、将模具底部浸入水中冷却30 min，即可脱模，得到厚度为137μm的CsPbX₃量子点荧光层。

量子点辐致荧光效应核电池，包括：密封外壳2、放射源、量子点荧光层5、半导体光伏组件。

放射源是双面放射源，包括非放射性金属3和放射性金属4，放射性金属4放置在非放射性金属3的中心位置，两者一体结构，厚度约为5μm，非放射性金属3是金属镍，放射性金属4是金属镍-63。

半导体光伏组件包括半导体7，前电极6和背电极8。半导体7是采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的。前电极6采用梳状密栅式，主栅位于半导体光伏组件表面的活性区边缘，垂直于细栅。

密封外壳2的尺寸为40 mm*40 mm*60 mm，内部为空心，空心部分的尺寸为35 mm*30 mm *40 mm，地面为的矩形，在密封外壳的顶面和地面开凿出半径为1 mm的圆形孔洞。

密封外壳2中间放置放射源，放射源是双面放射源，上下平面均覆盖量子点荧光层5，量子点荧光层5的另一面紧贴半导体光伏组件的前电极6。前电极6另一面依次叠加半导体7和背电极8，前电极6和背电极8和导线焊接，导线通过密封外壳2上的孔洞引出，密封外壳2顶面和底面的四个角通过螺丝1紧固。

实施例五

其中，量子点荧光层的制备方法包括：

S1、取苯乙烯和聚苯乙烯，以7:3的比例在50℃下磁力搅拌均匀，使聚苯乙烯完全溶解并配置成溶胶；

S2、在0.6Mpa下抽真空1h，去除溶胶中溶解的空气，并在避光处静置24 h，待溶胶化学性质稳定；

S3、在手套箱中将2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbI₃量子点材料加入溶胶中，2，5-二苯基噁唑、1，4-双［2-（5-苯基噁唑）］苯、偶氮二异丁腈和CsPbI₃量子点材料的质量比为4：0.4：0.4：4：91.2，在室温条件下磁力搅拌3>

S4、将S3中的溶胶倾注于定制的钢模中，定制方形钢模的尺寸为30 mm*30 mm*3 mm并在真空烘箱中抽真空2h后，在55 ℃下低温预聚合24h后逐步升温至90 ℃聚合5h；

S5、将模具底部浸入水中冷却30 min，即可脱模，得到厚度为127μm的CsPbBr₃量子点荧光层。

量子点辐致荧光效应核电池，包括：密封外壳2、放射源、量子点荧光层5、半导体光伏组件。

放射源是双面放射源，包括非放射性金属3和放射性金属4，放射性金属4放置在非放射性金属3的中心位置，两者一体结构，厚度约为5μm，非放射性金属3是金属镍，放射性金属4是金属镍-63。

量子点荧光层5厚度小于或等于放射性粒子在荧光层中的射程。

半导体光伏组件包括半导体7，前电极6和背电极8。半导体7是采用MOCVD技术在Ge衬底上进行外延层生长形成的。前电极6采用梳状密栅式，主栅位于半导体光伏组件表面的活性区边缘，垂直于细栅。

密封外壳2的尺寸为40 mm*40 mm*60 mm，内部为空心，空心部分的尺寸为35 mm*30 mm *40 mm，地面为的矩形，在密封外壳的顶面和地面开凿出半径为1 mm的圆形孔洞。

密封外壳2中间放置放射源，放射源是双面放射源，上下平面均覆盖量子点荧光层5，量子点荧光层5的另一面紧贴半导体光伏组件的前电极6。前电极6另一面依次叠加半导体7和背电极8，前电极6和背电极8和导线焊接，导线通过密封外壳2上的孔洞引出，密封外壳2顶面和底面的四个角通过螺丝1紧固。

本发明的有益效果包括：

量子点荧光层采用全无机钙钛矿作为荧光材料，相比于传统大粒径荧光粉，量子点荧光材料可通过调控量子点组分和尺寸调控量子点荧光层的发射波长，以适配不同的后端半导体光伏组件，使得量子点荧光层的换能效果接近理论计算预测的最优值，以获得更优异的核电池输出性能；

采用荧光量子效率较高的CsPbX₃，X=Cl、Br、I制备量子点荧光层，相比传统镉系量子点具有更高的辐致荧光转化效率，提升辐致荧光光强10-20>

采用原位聚合方法制备的荧光层，去除了常规荧光层制备中所需的基底材料，不需要玻璃或石英作为基底材料即可获得完整的荧光层，去除高透光率的基体材料提升核电池能量转换效率5-10%，且使整体核电池的结构更为紧凑；

采用原位聚合方法制备的荧光层，可制备不同尺寸需求的荧光层适用于不同类型（体放射源、单/双面放射源）、不同大小的放射源，工艺成熟且简单，易于实现；

采用荧光层作为辐射能到电能的中间换能媒介，半导体换能材料不受放射性粒子的电离辐射，且量子点材料优异的抗辐照保障荧光层的辐照条件下的稳定性，延长核电池整体的服役寿命；

采用设置多面对接的荧光层，提升体放射源和双面放射源的利用率，提升核电池整体的能量转换效率和输出性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。