輻伏電池用兩種換能單元材料的輻射損傷效應(yīng).pdf

1、輻射伏特效應(yīng)同位素電池，包括直接輻射伏特效應(yīng)、輻射致光聯(lián)合光伏效應(yīng)及輻伏/光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換電池，是以放射性同位素為能量輸入源，半導(dǎo)體和無(wú)機(jī)輻射發(fā)光材料為能量轉(zhuǎn)換器件的小型發(fā)電裝置，是現(xiàn)代低功耗（超低功耗）MEMS系統(tǒng)及IC系統(tǒng)理想的長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、一體化電源。為實(shí)現(xiàn)電池的長(zhǎng)壽命免維護(hù)，除了放射性同位素具有較長(zhǎng)的半衰期外，半導(dǎo)體換能器件和無(wú)機(jī)輻射發(fā)光材料在放射性同位素作用下也必須具有高的抗輻射損傷性能。當(dāng)前國(guó)內(nèi)輻伏電池的換能器件/材料的輻射損

2、傷效應(yīng)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究還很欠缺，這將嚴(yán)重阻礙長(zhǎng)壽命輻伏電池研制的進(jìn)一步深入開展。
　　論文基于最成熟的氚源/單晶硅輻伏電池及很有研發(fā)潛力的90Sr/發(fā)光陶瓷/單晶硅輻伏/光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換電池，通過理論模擬和輻照實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法系統(tǒng)，研究了其中關(guān)鍵的半導(dǎo)體換能器件和無(wú)機(jī)發(fā)光陶瓷換能材料在相應(yīng)同位素輻射作用下的損傷效應(yīng)，為長(zhǎng)壽命輻伏電池的研制提供有益的指導(dǎo)。
　　在氚源/單晶硅輻伏電池輻射損傷研究方面，利用理論模擬和實(shí)驗(yàn)方法

3、系統(tǒng)研究了低能β源（氚源）對(duì)平面單晶硅換能器件的輻射損傷效應(yīng)。氚源為加載在金屬基底上的氚化鈦薄膜，利用理論模擬計(jì)算了不同厚度氚化鈦薄膜的自吸收以及出射的β粒子和X射線分布。實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在氚化鈦源的加載下，相同的平面單晶硅換能單元(100)c-Si加以不同的鈍化層結(jié)構(gòu)會(huì)有較大的輸出性能和抗輻射性能差異。SiO2/Si3N4、B-Siglass/Si3N4、Si3N4三種鈍化層結(jié)構(gòu)，在8.7 G Bq/cm2的氚化鈦源加載下，B-Si

4、glass/Si3N4結(jié)構(gòu)能夠得到最好的綜合輸出性能，SiO2/Si3N4結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生最大的輻射衰減，而Si3N4結(jié)構(gòu)得到最差的初始輸出性能?；陔盎佋闯錾淞Ｗ油瑫r(shí)包含X射線，比較研究了β粒子和純X射線輻照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)純X射線的輻照比β粒子與X射線混合輻照具有更大的輻射損傷，證實(shí)了該過程中β粒子具有修復(fù)X射線輻射損傷的作用。并且X射線輻照后的換能器件上產(chǎn)生了肉眼可見的污痕，利用XPS分析，得到污痕來(lái)源于鈍化層與單晶硅表面產(chǎn)生了縱向的不平整

5、。還使用ESR和C-V測(cè)試對(duì)輻照后的界面態(tài)進(jìn)行了表針，β和X射線輻照后表面產(chǎn)生空穴耗盡層，純X射線輻照后更為顯著，并且輻照后界面態(tài)正電荷增加。
　　在90Sr/發(fā)光陶瓷/單晶硅輻伏/光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換電池方面，用Geant4模擬了不同發(fā)光陶瓷厚度對(duì)高能粒子透過性能影響，采用90Sr源及加速器電子輻照考察了2種稀土摻雜Y2O3和YAG材料輻照下的能量轉(zhuǎn)換性能的變化。研究發(fā)現(xiàn)Eu∶Y2O3長(zhǎng)期輻照之后透過性能下降較大，耐輻射性能不理想。而C

6、e∶YAG材料的加速老化實(shí)驗(yàn)表明，在3.2×1015電子注量（等效14年90Sr源劑量）輻照之后材料的透過率曲線基本不降，并且在透明陶瓷的阻隔下，高能β粒子不會(huì)造成單晶硅換能單元的暗電流的顯著增高。對(duì)輻照前后 Ce∶YAG的熒光性能進(jìn)行了同步考察，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期輻照后熒光性能下降不多，且1.7×1015電子注量和3.2×1015電子注量輻照后兩者熒光性能基本相同。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)不同激發(fā)波長(zhǎng)的熒光發(fā)射性能會(huì)有不同，而且隨摻雜濃度的變化而變化，β粒

7、子激發(fā)的熒光譜和常規(guī)的光致熒光譜具有不同的規(guī)律，導(dǎo)致熒光數(shù)據(jù)不能有效對(duì)應(yīng)光電流的輸出值。但總體來(lái)講，高能粒子加載的輻伏電池可以有效的通過輻伏/光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換機(jī)制來(lái)避免劇烈的輻射損傷問題。
　　論文在理論模擬部分，主要得出以下結(jié)論:
　　a)在模擬放射源方面，氚化鈦源出射β粒子的同時(shí)還發(fā)射特征峰為4.45 keV和4.85 keV的低能X射線，氚化鈦薄膜厚度增加至0.7μm左右可達(dá)到β粒子飽和出射，而出射的X射線隨源厚度增加而成

8、正比例增加。
　　論文在低能氚化鈦源輻照單晶硅部分，主要得出以下結(jié)論:
　　b)氚化鈦源的X射線出射會(huì)引起單晶硅換能單元的輻射損傷，而此過程β粒子對(duì)X射線造成的損傷有修復(fù)作用。輻射損傷本質(zhì)上是單晶硅表面的平整性被破壞，實(shí)際操作中要盡可能的減少X射線的出射量。
　　c)換能單元表面鈍化層結(jié)構(gòu)對(duì)于輻伏電池的初始輸出性能和耐輻射性能都有很大的影響。(100) Si/B-Si glass/Si3N4鈍化層結(jié)構(gòu)在氚化鈦源下有良好

9、的初始輸出性能和耐輻射性能，(100) Si/SiO2/Si3N4結(jié)構(gòu)有最好的初始性能和最大的衰減，(100) Si/Si3N4結(jié)構(gòu)不能得到好的輸出。
　　論文在輻伏-光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究部分，主要得出以下結(jié)論:
　　d)輻伏-光伏聯(lián)合轉(zhuǎn)換機(jī)制可以有效的利用高能粒子的入射能量從而提高輸出功率，并且可以有效地降低高能粒子對(duì)半導(dǎo)體換能單元的輻射損傷。
　　e) Ce∶YAG陶瓷具有良好的耐輻照性能，在3.2×1017電子