微型核电池的研究情况

微机电系统和纳米技术的研究在过去20年取得了巨大的进展, 研究者们开发了各种类型的微米和纳米尺度的器件。然而, 能量供给装置很难微小型化到相应尺度传统的电池或能量供给装置仍然用于微米和纳米器件, 这导致了整个系统体积增大、频繁充电或电池单元组布置的困难因此, 研究者们自20世纪90年代起开始将目光转向开发各种微型电池的技术上。其中, 基于涡轮燃烧的微型能量产生装置和微型燃料电池的目标是将机械能、热能和化学能转化成电能。这些技术都需要外部的微流体结构和外部能源驱动发动机并供给燃料到工作腔中, 或者促成化学反应实现能转换。微型铿电池也在研究当中, 但是这类电池能量密度低, 寿命短研究热点之一的还有微型太阳能电池阵列, 其缺点在于需要光作为原始能源。放射能可以在工业、农业和医疗服务等许多不同的领域可以得到应用, 能量产生是其最重要的应用领域这是因为核能在许多场合都是比常规能量产生形式更高效的能量产生方法。

1999年美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究者在美国能源部的资助下在国际上首先提出了结合微机电系统技术和核能科学与技术, 开展微型核电池或称放射性同位素电池的研究, 随后在美国国防部的资助下, 继续在美国康乃尔大学开展工作。包括厦门大学萨本栋微机电研究中心在内的国内外许多研究小组也开始致力于这项研究当中。与其他技术相比, 微型核电池在许多领域具有应用前景, 特别是在需要长期时间功能的应用场合, 如植入式生物医疗微器件与用于环境监测的微型传感器或传感器网络放射性同位素的能量密度比化石或化学燃料的能量密度高了一倍, 并且若选择合适的放射性同位素, 可以实现长寿命的微型核电池。

空间研究机构，像美国的国家航空航天局（NASA）很久以前就已认识到放射性材料在发电方面的巨大潜力。NASA早在从20世纪60年代开始的一系列太空任务中，例如旅行者号探测器（Voyager）和不久前发射的，目前正在环绕土星轨道上运行的卡西尼探测器（Cassini），采用了放射性同位素热电子发电机（Radioisotope Thermoelectric Generators，RTG）。这些空间探测器离太阳太远，因此无法使用太阳能电池阵列供电。

RTG通过热电效应（亦称赛贝克-Seebeck-效应）将热能转化成电能。所谓赛贝克效应是指当加热一根金属棒（由两种金属或半导体材料对接而成-译者注）的一端时，受热端的电子就获得了较多的动能流向另一端，在该金属棒的两端产生电压。NASA使用的RTG多数像洗衣机大小，利用钚-238的高能射线产生巨大的热能。

但RTG无法大幅度降低尺寸。对于MEMS这样的微型设备，其表面积和其体积之比非常大。很大的相对表面积使得热量损失问题难以解决，而要维持RTG的正常工作，就必须保一定的温度。因此我们不得不寻找其他办法来把核能转化为电能。

2003年初，开发了一种微型电池，可以把放射性物质发射的高能粒子直接转化成电流。在这种电池里面，把少量的镍-63放在普通的硅p-n结（基本上就是一个二极管）附近。镍-63衰变时会发射β粒子。β粒子是一种从放射性同位素不稳定的原子核里自发的发射出来的高能电子。在电池中，β粒子使二极管的原子电离，产生电子-空穴对。这些电子和空穴被分割在p-n结界面的两边。这些被分离的电子和空穴向离开p-n结的方向流动，形成了电流。

在上述应用中采用镍-63非常理想，因为它发射的β粒子在蜕变之前最多在硅材料中能行进21μm。如果某种粒子具有更大的动能，那么它的行进距离将更长，这样就会辐射到电池外面。在我们制作的核电池中，每毫居里的镍-63能产生3毫微（10-9）瓦的功率。虽然功率不大，但是已经可以为其他机构正在研发的环境传感器和战场传感器上所使用的纳米存储器和简单的微处理器供电。放射性同位素的选择是实现微型核电池的最重要的方面, 主要是基于辐射类型, 安全性、能量、相对比放射性、价格和半衰期。使用放射性同位素最重要的考虑因素始终是安全性。Gamma射线（伽马射线）具有很强的穿透能力, 需要相当大的外部屏蔽装置以减小放射剂量比。Alpha（阿尔法）粒子可以用于在半导体产生电子一空穴对, 但是它们会引起严重的晶格缺陷。纯的Beta射线发生器是微型核电池的最佳选择。表1给出了我们研究中考虑用于微型核电池的纯Beta放射源。镍-63具有超过100年的放射期, 在我们的研究中作为首选。从镍-63发射出的粒子或电子, 具有淤的平均能量和的最高能量, 这低于引起硅晶体结构永久性损伤

的200~250KeV闽值能量。另一方面, 最高运动能量67KeV的电子无法穿透人类皮肤的外层, 这保证了操作者的安全。所开发的第一种类型的微型核电池是基于Beta辐生伏打效应, 即由于电子空穴对（EHPs）产生的正电荷流动, 从而形成电势差。如图1所示, 当EHPs扩散进入半导体pn结的耗尽区, 在pn结内建电场的作用下,实现对电子-空穴对的分离, 即电子向n区, 空穴向p区运动, 产生电流输出。

虽然辐生伏打效应与光生伏打效应类似, 微型核电池的开发比太阳能电池的开发要困难得多。主要原因在于核电池中的电子通量密度比太阳能电地中的光子通量密度要低。对于微电池而言, 由于使用了非常低放射强度的同位素, 电子通密度还会降低。从Beta放射性同位素放射出来的电子的能分布通常真有很宽的频谱范围。带有不同能的电子会停留在半导体pn结器件不同深度的位里。因此, 产生的EHPs的空间分布是不同的。为了获得更高的能量输出, 需要对pn结器件进行优化设计, 并采取微制造工艺达到尽可能将EHPs收集到耗尽层的目的。事实上, 大多数微机电和纳米器件, 与低耗能电子器件, 所消耗的能量在毫瓦范围内。为了增加微型核电池的能物出, 如果允许, 应该选择高能量放射器具有更高的放射强度虽然枢放射性同位素的半衰期只有2.6年, 但其平均能为62KeV, 最高能量为250KeV, 这在硅基pn结器件中是允许的。如图5所示,设计并制作了应用-钷147放射性同位素作为原始能源的Beta型微型电池。作为电池的平面pn结器件的10mm*100mm面积为, 并且使用了约200mCi的钜-147。测得的开环电压0.29V, 短路电流为0.033mA。最大输出能量为5.7uW。下一步的工作是应用堆盛或芯片阵列连接的方法提高微型电池的输出电压。

两种应用于微机电系统和纳米器件的微型核电池, 并给出了利用钷-147放射性同位素实现输出能达到毫瓦级的Beta型微型核电池。