基于“衰变能→光能→电能”新型能量转换机制的辐致光伏效应同位素电池

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外层空间、深海和极地探测等领域应用的低功率电子器件对微能源提出了特殊要求,常规电池存在受环境因素影响大、需外界补充燃料或包含运动部件等问题,难以长期有效地发挥作用。同位素电池是一种新型微能源,利用放射性同位素衰变释放出的载能粒子(如α粒子、β粒子和γ射线)或衰变过程中产生的衰变热,并将这些能量转换为电能的器件装置,具有工作寿命长、能量密度高、性能输出稳定以及无需外界燃料补给等特点,是未来新型微能源的绝佳选择。辐致光伏效应同位素电池是一种基于“衰变能→光能→电能”新型换能机制、可微型化的电池,在军事国防、深空探测、生物医疗和通用民用等领域具有潜在应用前景。辐致光伏效应同位素电池主要由放射性同位素、荧光层和光伏组件三部分组成,其工作原理是利用放射性同位素衰变产生的放射性粒子与荧光材料相互作用,发出特定波长范围的辐致荧光光子,这些荧光光子再被光伏组件收集,通过光电效应将荧光光子转变成电子-空穴对,并在内建电场的作用下实现分离,接通外电路即可输出电流。辐致光伏效应同位素电池可以采用高能、大活度的β或α源。辐致光伏效应同位素电池的关键技术研究主要集中在高辐致发光效率的荧光材料选取,电池各部分组件之间的匹配程度改善以及电池换能单元的结构优化设计等。

南京航空航天大学陈达、汤晓斌课题组近年来长期致力于辐射能量转换机制与同位素电池技术研究,对辐致光伏效应、辐射伏特效应和温差热电效应等多种换能机制均有涉及。课题组在辐致光伏效应同位素电池方面的研究内容主要包括电池理论转化效率计算,荧光材料物理参数的影响规律,辐致荧光光谱和光伏响应之间的匹配关系,三维V型槽、表面镀铝等荧光层结构优化和电池温度效应等。针对荧光层物理参数选择以及材料间耦合匹配问题,研究人员从理论模拟和实验验证两方面揭示了荧光层光学性质以及电池电学性能的影响因素和变化规律。研究人员利用均匀沉淀法制备了一系列不同质量厚度的ZnS:Cu(大粒径)、ZnS:Cu(小粒径)和Y2O2S:Eu荧光层,并分别利用63Ni和147Pm作为激发源,测试发现荧光层辐致荧光光强均随着质量厚度的增加,先增加后下降,存在最大值。同一种荧光材料在不同β源的激发下,辐致发光的光谱谱型和发射波长保持不变,但在一定范围内荧光材料的粒径越大,荧光光强越大。对于Y2O2S:Eu荧光层,在β粒子的激发下存在多个发射峰,这一实验结果与材料发光中心的能级跃迁行为相吻合。研究三种类型的荧光层的透射光谱和吸收光谱发现,随着荧光层质量厚度的增加,荧光层的透射率均逐渐下降,吸收率均逐渐上升。辐致光伏效应同位素电池电学输出性能测试表明开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax和能量转换效率ηtotal也均随荧光层的质量厚度先增加后下降,存在一个最优值。实验还发现,荧光材料的发射光谱与光伏材料的光谱响应之间的耦合匹配是提升光电转换性能和电池能量转换效率的有效途径。通过对比分析光学性能和电学性能的测试结果,发现在光伏组件保持不变的前提下,三种类型的荧光层辐致荧光的强度与相应电池的最大输出功率均近似成线性关系。

这一研究成果可为辐致光伏效应类型的同位素电池设计制备起到一定的参考意义,有效优化能量转换性能、提升电池输出功率,为同位素电池走向实际应用奠定基础,相应的工作发表在近期出版的Energy Technology杂志上(DOI number: 10.1002/ente.201500268)best online casino