一种荧光层的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核物理、核能应用和微能源领域，具体涉及一种荧光层的制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着人口数量与生活水平的发展提升，对能源的需求量也与日倶增，但随 着太空探索的深入和高新能源技术产业的推进，人类对能源也提出了更高的要求。在超低 功率装置和自动控制系统等多个领域，尤其是目前一些更换和维修较困难的地方，长寿命、 高效稳定的供能系统存在极大的潜在利用价值。而具备长寿命（取决于放射性同位素的半 衰期），小尺寸，重量轻，环境适应能力强，工作温度范围宽，输出功率稳定等优势的核电池 可以很好的满足这些特定需求，成为未来能源发展的首要候选者。
[0003] 核电池，又称为同位素电池，它是一种利用放射源衰变释放的载能粒子（如a、0 粒子和Y射线）或者衰变产生的热能转换成所需电能的装置。在众多能量转换机制的核 电池中，换能原理可分为直接转换和间接转换两种。直接转换核电池即将同位素衰变热或 射线能量一次转换成电能，较常用的有热电温差效应核电池和辐射伏特效应核电池等。间 接转换核电池则是将放射源的衰变热或辐射能二次转换成所需的电能，如热致光电式核电 池和焚光体光电式核电池。
[0004] 核电池直接转换类型中的热电温差效应核电池，该装置是基于热电材料的塞贝克 (Seebeck)效应，采用温差材料直接将放射性同位素衰变产生的热能转变为电能。该类核 电池在实际应用中需要隔热层，且微型化在一定程度上受到限制。另一个关于直接转换类 型的例子是辐射伏特效应核电池，其工作原理是利用放射性同位素衰变产生的粒子照射半 导体PN结，促使在PN结附近的电子电离产生电子空穴对，载流子在内电场的作用下定向移 动，建立电势。该类核电池使用的换能单元PN结对射线较敏感，在带电粒子的激发下易产 生缺陷和引起材料晶格损伤，对电池的性能存在一定的约束性。
[0005] 于是，在放射源与换能单元添加一层荧光物质作为中间换能媒介，可有效缓解核 福射对半导体材料损伤问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种荧光层的制备方法，解决了现有技术中 辐射伏特效应核电池中半导体易辐照损伤的问题。
[0007] 本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案： 一种荧光层的制备方法，包括如下步骤， 步骤1、在质量浓度为0. 5-1%硅酸钾溶液中加入ZnS:Cu荧光粉充分搅拌，； 步骤2、加入质量浓度为0. 1-0. 3%硝酸钡溶液，继续搅拌； 步骤3、将混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降； 步骤4、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获 得所需的荧光层。
[0008] 所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与ZnS:Cu荧光粉的质量 与荧光层的厚度根据如下公式设置，其中A荧光粉的质量，P为荧光粉的密度， ^为玻璃器皿的底面积，A为荧光层的厚度； 所述的自然沉降时间为l_5h; 所述步骤2中的烘干温度为200-300°C，烘干时间为0. 5h。
[0009] 所述荧光层用于荧光核电池中，所述核电池包括密封外壳、放射源层、半导体光伏 组件、荧光层，其中，所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层， 其特征在于，所述的放射源层、荧光层、半导体光伏组件设置于密封外壳内部，并通过密封 外壳固定，其中荧光层位于放射源层与半导体光伏组件之间，玻璃基底与半导体光伏组件 的前电极层连接，荧光粉层与放射源层连接。
[0010] 所述放射源层为0放射源。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 1、采用物理沉降法制备荧光层，工艺相对简单，易于实现，实验所需条件较易获得。
[0012] 2、利用荧光层作为辐射能到电能的中间换能媒介，半导体不受放射性粒子的电离 辐射，可以有效地消除光伏组件换能单元的辐照损伤，延长核电池的使用寿命。
[0013] 3、引入三接面的光伏组件，可以有效增加光谱接受范围，提高辐致荧光核电池的 能量转换效率。在制备好的荧光层的基础上，选择不同禁带宽度的半导体光伏组件作为后 续的换能单元，拓宽光谱的有效吸收范围。
[0014] 4、本发明的核电池可移动性和安全性能好，适用于监测器、信号接收器和微控制 器等电子器件方面。
[0015] 5、采用叠层排布方式将0放射源、荧光层和光伏组件组合成一体，结构紧凑，可 增加有效作用面积，提高电池的输出功率；对电池进行密封处理，易于实现集成化、模块化 和小型化，适应性提高，应用领域更宽。
【具体实施方式】
[0016] 下面对本发明的技术方案进行详细说明： 一种荧光层的制备方法，包括如下步骤， 步骤1、在质量浓度为0. 5-1%硅酸钾溶液中加入ZnS:Cu荧光粉充分搅拌，； 步骤2、加入质量浓度为0. 1-0. 3%硝酸钡溶液，继续搅拌； 步骤3、将混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降； 步骤4、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获 得所需的荧光层。
[0017] 所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与ZnS:Cu荧光粉的质量 与荧光层的厚度根据如下公式设置=声&，其中?为荧光粉的质量，P为荧光粉的密度， ^为玻璃器皿的底面积，A为荧光层的厚度； 所述的自然沉降时间为l_5h; 所述步骤2中的烘干温度为200-300°C，烘干时间为0. 5h。
[0018] 所述荧光层用于荧光核电池中，所述核电池包括密封外壳、放射源层、半导体光伏 组件、荧光层，其中，所述半导体光伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层， 其特征在于，所述的放射源层、荧光层、半导体光伏组件设置于密封外壳内部，并通过密封 外壳固定，其中荧光层位于放射源层与半导体光伏组件之间，玻璃基底与半导体光伏组件 的前电极层连接，荧光粉层与放射源层连接。
[0019] 所述放射源层为0放射源。
[0020] 上述基于三结光伏材料的叠层结构核电池可通过以下方法制备得到： 步骤一、选取尺寸为30mm*30mm*0. 5mm，透光率为95%，耐1000°C的石英玻璃片为荧光 粉层的衬底6,用去离子水和酒精多次清洗； 步骤二、采用物理沉降技术在所述衬底6上沉积一层厚度为70ym的ZnS:Cu荧光层5， 将沉积后的样品放置在250°C温度下烘干30分钟，待其自然冷却至常温即可取出，完成辐 致荧光层的制备，整个制备环境为常压； 步骤三、制备核电池的外围结构，承载装置10为氧化铝陶瓷材料，长方体状，高30mm， 底面为40mm*35mm的长方开$，内部为空心，同样为长方体形状，其深度为20mm，底面为 35mm*30mm的长方形，在其中一个侧面距离底部高约12mm处开凿留出一个半径为1mm的圆 形孔洞； 步骤四、将InGaP/GaAs/Ge三接面半导体层8的电极用连接线焊接，并放入承载装置10 内，布置引线，将正负极接线从孔洞引出； 步骤五、在半导体层的上方加载由ZnS:Cu荧光层和石英玻璃衬底组成的荧光层，在其 上方继续加载一层镀制的放射性金属镍-63和非放射性金属镍，厚度约为5ym; 步骤六、在整个外围结构上方加载密封盖，将电池的各个单元封装在一起，并利用螺丝 钉等连接装置将整个电池固定，完成基于三结光伏材料的叠层结构核电池的制备。放射性 金属镍-63的面积与荧光层的接触面积一致，半导体层的光吸收表面积小于荧光层和石英 玻璃衬底的表面积。
[0021] 测试结果表明，基于70ym的ZnS:Cu焚光层的福致焚光转换，采用夹层结构的三 结半导体核电池的每平方厘米最大输出功率可达到几十纳瓦量级，填充因子在0.34左右， 能量转换效率在5. 1E-2%以上。
[0022] 本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程 中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过 的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或 删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措 施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
[0023] 以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种荧光层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤， 步骤1、在质量浓度为0. 5-1%硅酸钾溶液中加入ZnS=Cu荧光粉充分搅拌，； 步骤2、加入质量浓度为0. 1-0. 3%硝酸钡溶液，继续搅拌； 步骤3、将混合液引流至放有玻璃基底的玻璃器皿中，自然沉降； 步骤4、待玻璃基底上沉积荧光粉之后，将其取出并烘干，待其自然冷却至常温即可获 得所需的荧光层。2. 根据权利要求1所述的荧光层的制备方法，其特征在于： 所述的硅酸钾溶液与硝酸钡溶液的容积比为10:1-20:1，与ZnS=Cu荧光粉的质量与荧 光层的厚度根据如下公式设置其中?为荧光粉的质量，P为荧光粉的密度，为 玻璃器皿的底面积，A为荧光层的厚度； 所述的自然沉降时间为l_5h。3. 根据权利要求1所述的荧光层的制备方法，其特征在于： 所述步骤2中的烘干温度为200-300°C，烘干时间为0. 5h。4. 根据权利要求1所述的荧光层的制备方法，其特征在于：所述荧光层用于荧光核电 池中，所述核电池包括密封外壳、放射源层、半导体光伏组件、荧光层，其中，所述半导体光 伏组件包括依次连接的前电极层、半导体层、背电极层，其特征在于，所述的放射源层、荧光 层、半导体光伏组件设置于密封外壳内部，并通过密封外壳固定，其中荧光层位于放射源层 与半导体光伏组件之间，玻璃基底与半导体光伏组件的前电极层连接，荧光粉层与放射源 层连接。5. 根据权利要求4所述的荧光层在核电池中的应用，其特征在于：所述放射源层为0 放射源。
【专利摘要】本发明公开了一种荧光层的制备方法，通过物理沉降法将荧光粉层设置于玻璃基底上，并将该荧光层用于核电池结构中，设置于放射源与光伏半导体组件之间，利用荧光层作为辐射能到电能的中间换能媒介，有效隔离了放射源对半导体光伏组件的辐射损伤，延长核电池的使用寿命，解决了现有技术中辐射伏特效应核电池中半导体易辐照损伤的问题。本发明的核电池可移动性和安全性能好，适用于监测器、信号接收器和微控制器等电子器件方面。
【IPC分类】G21H1/12, C09K11/56
【公开号】CN105131943
【申请号】CN201510459971
【发明人】冯方敏
【申请人】苏州宏展信息科技有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月31日