本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：微電池技術(shù)是未來微機(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對其長壽命、無需燃料補(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/Zn S:Cu/光伏組件的“三明治”式夾層結(jié)構(gòu)的β輻致光伏效應(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,Zn S: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 e V,此時(shí)電池取得了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Ga As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量其光學(xué)性能,同時(shí)在熒光層加載條件下測試了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:Zn S:Cu熒光層的輻致發(fā)光光譜與Ga As光伏組件的光電匹配最佳;在活度密度為2.9 m Ci/cm2的147Pm源激發(fā)下,厚度為11mg/cm2左右的Zn S: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147Pm/Zn S:Cu/Ga Asβ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)相似的結(jié)論。本文的研究工作為新型輻致光伏效應(yīng)同位素電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備研發(fā)提供了重要依據(jù),將有力推動(dòng)同位素電池作為MEMS器件微動(dòng)力源的應(yīng)用,也為下一步研發(fā)適用于空間環(huán)境的微型同位素電池奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM918

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本文編號：1226329