伏特效应放射性同位素电池的原理和进展

第 29 卷 第 6 期 核 技 术 Vol. 29, No.6 2006 年 6 月 NUCLEAR TECHNIQUES June 2006 —————————————— 第一作者：邹 宇，男，1980 年出生，2003 年毕业于西南师范大学，现为四川大学原子核技术研究所在读硕士研究生 通讯作者：黄宁康 收稿日期：2005-11-28，修回日期：2006-02-08 伏特效应放射性同位素电池的原理和进展 邹 宇 黄宁康 （辐射物理及技术教育部重点实验室，四川大学原子核技术研究所 成都 610064） 摘要 本文介绍伏特效应放射性同位素电池的工作原理及电池类型。重点介绍了适用于心脏起搏器、微机电 系统（MEMs）等的辐射伏特效应放射性同位素微电池，并对这种电池的应用前景作了展望。 关键词 衰变能，放射性同位素电池，伏特效应 中图分类号 O571.32，TM911，TQ083+.4 放射性同位素电池（或称核电池）是利用放射 性同位素在衰变时释放的能量而制备的电池。 Moseley[1]在 1913 年了第一个放射性同位素电 池，然而直到 20 世纪 50 年代晚期，核电池的发展 才受到了人们的重视。 核电池的发展来自于多方面因素的推动。随着 航天、卫星和医学技术等方面的发展需求，例如当 航天器进入深太空探测，由于光注量率急剧下降(如 木星光注量率为地球的 1/25，天王星为地球的 1/100)，排除了应用太阳能电池的可能性，使放射 性同位素电池成为唯一可以依赖的能源[2]。又如人 体内心脏起搏器的动力源，若采用放射性同位素电 池，使用寿命可达数十年。还有如极地、深海、荒 漠、深太空等极端条件下探测时使用的动力源，由 于长时间观测，又受到外部环境的种种干扰，因此 势必需要使用寿命长、抗干扰能力强、不受温度、 压力及电磁场等影响的电源。这时对放射性同位素 电池而言显然是一个最佳的选择。现有的放射性核 素超过 2500 多种，如何充分利用这些能源（例如仅 全世界核电站每年产生的核废料中就有 5000 kg 90Sr，可产生约 2×108 kW·h 电能），也是能源短缺时 代的一个考虑，同时也是对核电站乏废料中的放射 性同位素的再利用。 把放射性同位素衰变能转变成电能有很多方 法，一般可分为静态与动态转换两大体系。其转换 原理有：直接充电、接触势、伏特效应、热动力、 热光电、热离子、压电转换等等。放射性同位素电 池当前主要应用于空间探测，在 20 世纪实际应用的 空间放射性同位素电池几乎都是静态热电型温差发 电器，热电转换效率低是一重大缺憾。近十年来动 态型放射性同位素发电系统（DIPS）已进入单 元的设计和论证。这种动态换能体系使用的是涡轮 式发电机，发电机由闭合回路中的流体驱动，流体 在核燃料的容器外被气化。此外，为了改进热电转 换效率，美国能源部还提出了先进放射性同位素发 电体系的开发，包括碱金属热光电转换器 （AMTEC）和热光电转换器（TPV）[2]。 伏特效应放射性同位素电池是利用半导体 PN 结将衰变能转换为电能的装置。由于半导体材料和 工艺水平的迅速发展，半导体对热、光、射线的能 量转换效率日益提高，使得伏特效应放射性同位素 电池成为放射性同位素电池研究领域的一个热点。 伏特效应放射性同位素电池具有效率高、体积小、 寿命长、稳定性好等特点，本文就伏特效应放射性 同位素电池的一般原理及当前进展作一个介绍。 1 伏特效应放射性同位素电池的种类 伏特效应同位素电池是主要利用放射性同位素 在 α衰变和 β衰变时产生的 α粒子或电子所携带的 能量转化为电能的装置。根据能量转换的不同过程， 伏特效应放射性同位素电池可分为三类。 1.1 热电转换法 热电转换是将 α或 β 衰变能转换为热能，再由 热能转换为电能。热电转换法又可以分为温差电法 和热光电法。 1.1.1 温差电转换法（Thermo-voltaic conversion） 该机制利用材料由于两端接触温度不同会产生 两端点间的电势差这一物理现象，以放射性同位素 发射粒子在介质上电离发热为热源，以空气或其它 物质做冷源，利用半导体做温差器件，将热能转换 成电能。依据西贝克效应，在热偶两端温差 TW-TK 第 6 期 邹 宇等：伏特效应放射性同位素电池的原理和进展 433 引起的开路电压 U 和温差成正比： 1,2 W K( )U T Tα= − (1) 热偶由不同的导体或半导体材料组成。最大输 出功率为： ( )21,2max W K 8 F P T T L α δ= − ⋅ (2) 其中， 1,2α 示温度 TW 和 TK之间的平均热动力势， δ 表示热偶间的平均电导率，F 表示热偶的横截面 积，L 表示热偶的长度。 热偶的最大转换效率等于最大输出功率Pmax和 输入热能 Q 的比值： max W K max KK W 1 1 1 P T T zT TQ T zT T η − + −= = ⋅ + + (3) 式中， ( )W K12T T T= − ， 2 2 z α δ κ= ，κ 表示热偶 间的平均热导率。 z 是表示热偶材料性能的，由（3）式表明， 要实现最高的转换效率应当选择一个最佳的 z。实 际上，不同材料在不同温度的 z 值是不同的。半导 体是最佳的热偶材料。为了得到较高的转换效率， 可以根据热偶间的温度梯度选择合适的半导体材料 按顺序排列，使每一个半导体都处于最佳工作状态。 此外，热偶两端温差越大，效率也越高，因此通常 使用 α放射性同位素源，它产生的 α射线和容器壁 材料碰撞，可使容器壁达到很高的温度。 利用温差电法进行能量转换的装置称为放射性 放射性同位素热电发生器（Radioisotope thermoe- lectric generators，RTGs），它特别适用于较大功率 的电源。基于该机制的放射性同位素电池效率的实 验室最高水平可达 15%，工业化生产只能达到约 8%—10%。自 1961 年以来，美国就开始使用 RTG 为太空探索提供电能，例如 20 世纪 90 年代末期发 射的 Cassini 号中每个 RTG 含有 10.8 kg 238Pu，可产 生 285 W 电能，它的结构如图 1[3]。前苏联几乎和 美国在同一时期开始空间核电计划，但他们采用的 是 210Po 放射性同位素电池，使用在“宇宙-84”和 “月球车-1 号”上。除了用于空间探测外，前苏联 还将 RTG 用于导航的灯塔能源，因为需要在无人维 护的情况下长期使用，因此它选择 90Sr 作能源。目 前 RTG 已经成为现有电池中寿命最长、最为可靠的 空间能源。 1.1.2 热光电法（Thermo-photovoltaic） 电池吸收 来自包装有放射性同位素的容器产生的热辐射，通 过红外光电半导体转换为电能。该机制总的能量转 换率理论上限为 15%。其装置如图 2，它由热源、 滤波器、光电池和冷却翼组成[4-7]。它的热源通常做 成圆柱形，光电池排列在它周围。该方法提高转换 效率的途径如下：首先，热光电元件的敏感波段应 该与热源的发射谱一致，才能减少热损失。热源的 温度需控制在 1000—1200℃，高于或低于这个温度 范围都会导致转换效率的降低。大于 1700℃的固体 发射谱其中很大部分波长为 λ>2µm 的红外光，目前 图 1 为 Cassini 空间探测提供电能的 RTG 结构 Fig. 1 Diagram of RTG used in the Cassini probe 434 核 技 术 第 29 卷 图 2 热致光伏特效应电池结构图 Fig. 2 Schematic diagram of radioisotope thermo-photovoltaic generator 还难以转换为电能，为此采用特殊的滤波器反射回 热源。第二，要提高电池转换效率就必须选择合适 的热辐射材料。尽管这种转换原理早在 25 年以前就 已提出，但直到最近一些年来由于 GaSb、InGaAs、 InGaAsSb[8-10]等高效率、窄禁带的光电池出现，基 于热光电法的放射性同位素电池才成为研究的热 点。 1.2 辐射光电转换（Radio-photovoltaic conver- sion） 辐射光电转换是通过荧光材料将衰变能转变为 光能，再用太阳能电池将光能转变为电能。该法的 优点是荧光材料吸收了射线，可以减小核辐射对半 导体材料的损伤。它的结构如图 3 所示。这种原理 的电池的缺点在于太阳能电池的转换能力随光强度 减小而减弱得非常快。随着放射性同位素源输出功 率的减小和荧光材料转换能力的减弱，电池的输出 在后期减小得比较快。 通过使用更好的荧光材料和改进结构可以提高 电池的转换效率。除了 ZnS: Ag、(Zn, Cd)S:Cu 外， Y2O2S: Tb3+、Y3Al5O12: Tb3+等也是非常有潜力的新 型荧光材料[11,12]。 结构改进后的电池剖面如图 4 所示，由于使用 多层结构和波导管，增大了对光电池的入射光强度， 可以极大提高电池的转换效率[13]。 图 3 具有辐射光电转换电池功能的自荧光微球装置 Fig.3 Self-luminous micro-spheres containing light source-based battery 图 4 辐射荧光波导管光电转换放射性同位素电池 的设计结构示意图 Fig. 4 Schematic view of the radio-luminescent waveguides-based light concentration battery 1.3 辐射伏特效应（Radiovoltaic） 该机制是利用带有一定能量的粒子束照射到半 导体材料上，通过电离效应产生电子空穴对，同时 在 PN 结的内建电场作用下，实现对电子空穴对的 分离，产生电流输出[14]。辐射伏特效应在半导体 pn 结以及肖特基中都可以发生，这与光子在半导体中 的作用相似。所不同的是，低能光子只能产生 1 个 电子空穴对，而高能射线通过级联过程可产生众多 的电子空穴对和光子，产生电子空穴对的数量为： e-h E N ε= Average (4) 其中，EAverage 是射线的平均能量，ε 表示产生一个 电子空穴对消耗的平均能量。ε 和半导体的禁带宽 度有关，禁带越宽，ε 越大。实验表明，ε 几乎和入 射射线的种类无关[15]（如 α、β、γ 射线）。Shockly、 Klein、Que 和 Rowlands[15,16]等人根据实验数据计算 得到，对晶体材料： g R 14 5 E rhε ν+＝ (5) 第 6 期 邹 宇等：伏特效应放射性同位素电池的原理和进展 435 对非晶材料： g R 11 5 E rhε ν+＝ (6) 其中，Eg 是半导体的禁带宽度，r 表示每次电离过 程产生的光子数，hνR 是光子的动能。 电池的最大效率由（7）式决定： p max 0 p max0 max s p max 1 1 V q VI I V λη λ ε= + ⋅+     (7) 其中， 0e kTλ = ，e0表示电子电荷，k 表示波耳兹 曼常数，T 表示绝对温度，I0 表示饱和电流，Is 表示 短路电流，Vpmax表示达到最大输出功率时的电压。 在入射电子束强度不是很低的情况下，可认为 I0/Is＜＜1，λVmax＞＞1，（7）式简化为： max max 0 V qη ε= (8) Vmax取决于 Is/I0，因此 Vmax随载流子密度的增 加而增加。从本质上讲，电池对电子的能量转换效 率取决于少数载流子的扩散距离和 PN 结的深度。 扩散距离越大，转换效率越高。 假设在半导体中每秒产生的电子空穴对为 G， 并且都能被收集。则电池产生的电流强度 Ip 为： pI qGtA= (9) 式中，t 为结区厚度，A 为横截面面积，q 为电子电 量。在理想情况下，电池的等效电路如图 5[17]： P 0[exp 1] ev I I I kT = − −    (10) 其开路电压（Voc）和短路电流（Is）分别表示 为： P oc 0 ln 1 IkT V e I = +    (11) 图 5 β 微电池的电路模型 Fig. 5 Circuit model of betavoltaic micro-battery s pI I= (12) 肖特基辐射伏特效应类似于 PN 结情况，当金 属和半导体接触时，如果金属的功函数大于 N 型半 导体的电子势能，此时就会形成肖特基势垒。肖特 基势垒的高度由半导体与金属的能级差决定。肖特 基势垒会在结区形成与 PN 结类似的非线性的电流 电压关系。当有光子或电子作用于结区时同样会形 成电流[18]。 在理论上，能形成任何金属-半导体结构，因此， 肖特基器件材料的选择要比 PN 结容易，因而更方 便解决势垒高度、载流子的扩散距离、抗辐射损伤 等问题。此外，肖特基器件中的载流子比 PN 结有 更长的复合寿命，因此采用肖特基器件可达到更高 的转换效率。但肖特基器件的制作工艺要求比 PN 结高得多。因此现阶段比较有优势的仍然是半导体 PN 结的辐射伏特效应放射性同位素电池。 伏特效应放射性同位素电池要求半导体材料具 备很好的抗辐照能力，如 SiC。此外，要提高电池 的转换效率也需要选择适当的半导体材料。辐射伏 特效应机制尽管还未实用化，但具有后来居上之势， 且具有很好的应用前景。其理论效率极限达 40%以 上。由于对电离电子空穴对的收集率还不够高，使 得该机制的实际效率较低。目前的研究结果表明， 采用特殊结构的 PN 结工艺（现在采用的结构包括 多孔结构和三维结构[17]，如图 6 所示）和电荷收集 技术，可望在近期内实现大于 10%的输出效率，几 年后可望接近或超过 20%，领先于其它衰变能转换 机制。 2 辐射伏特效应电池的前景 辐射伏特效应放射性同位素电池由于它自身功 图 6 PN 结 β 微电池倒置棱锥排布的俯视图 Fig. 6 Top view of inverted pyramid array of betavoltaic micro-battery based on PN-junction 436 核 技 术 第 29 卷 率小、寿命长、稳定性好的特点，特别适用于低功 率电子器件（见表 1），可用作各种存储器的动力源， 如 CMOS 存储器功率为 25µW。核电池也使得新兴 的微机电系统（MEMs）技术的应用成为可能， MEMs 在传感器中有广泛的应用。保守预计 2005 年在美国，基于 MEMs 的传感器市场可达到 11.6 亿美元。假设其中50%的MEMs设备都是电池驱动， 其中单个产品电池的价格占 20％，那么核电池的市 场可达到 1.16 亿。辐射伏特效应放射性同位素电池 用于心脏起搏器可减小起搏器的体积，延长它的寿 命（寿命长达 10 年）。图 7 是各种可用于便携式电 池能源的能量的密度，可以看到，放射性同位素能 源是在当前所有能源中能量密度最高的。因此，放 射性同位素能源的利用必将是未来新能源主要发展 方向之一。 图 7 各种燃料、电池及放射性同位素衰变能的 能量密度比较 Fig. 7 Energy densities of various batteries, fossil fuels and radioisotopes 表 1 超低功耗器件示例 Table 1 Some samples of ultra-low-power devices 种类 Category 设备名称或生产者 Device’s name, supplier or manufacturer 功耗 Nominal power consump./mW 存储器功率 Back-up power needs 电压 Voltage /V 电流 Current 静态电流 Standby current 4-bit 处理器 4-bit processor S-13L40AF Seiko 0.3 6 µW 1.2 0.25 mA 5 µA 压力传感器 Pressure sensor Lucas NovaSensor 0.2 － 0.1 2 mA － 心脏起搏器 Heart pacemaker Wilson Greatbatch Inc. － － 2.8 0.4 msec pulses － 心脏去纤颤器 Heart defibrillator Wilson Greatbatch Inc. － 1 mA 600 30J pulse 1msec － 参考文献 1 Moseley A G I. 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This paper is focused on the micro-batteries based on radio-voltaic effect, which are widely used in micro-electromechanical sys- tems (MEMs) and cardiac pacemakers. The prospects of such radio-voltaic isotope batteries are also reported. Keywords Decay energy, Radioisotope battery, Volta effect CLC O571.32, TM911, TQ083+.4