[0001] 本发明涉及一种量子电池，且特别涉及一种π电子轨域半导体型量子电池。

[0002] 核电池，又叫同位素电池，放射性同位素在蜕变过程中，原子核内一个中子会转变为一个质子，同时释放一个电子，这个会不断以热能或射线的形式，向外放出比一般化学反应大的能量，且蜕变时放出的能量大小、反应速度，不受外界环境中的温度、压力、电磁场的影响，故核电池以抗干扰性强、工作准确、寿命长而著称。

[0003] 核电池可分为两大类：热转换型与非热转换型。热转换型核电池是采用如钸-238、锔-244、或锔-242等能释放大量热能的放射性同位素进行热电效应或光电效应来转换成电能；非热转换型核电池则直接利用放射性同位素衰变过程中所释放出载能粒子α、β和γ粒子射线的能量，藉由高能电子束穿过电子通道后进入捕获层，此时半导体材料内部电子将被粒子激发到激发态，从而形成电子空穴，最后形成宏观电压，在拥有电子回路后，即能产生了电流。由于这个机制类似于光伏效应(Photovoltaic)，所以用衰变作为能量源的核电池也被称为贝塔伏特电池(Betavoltaic)。碍于现今科技对核电池的研究仍有无法突破之处，导致这两大类之核电池的核能转电能效率偏低(热转换型核电池约0.1至5％，非热转换型核电池约6至8％)。

[0004] 中国大陆发明专利公开号CN201310516945.4A揭示一种碳化硅肖特基结型核电池，其自下而上依次包括N型欧姆接触电极、N型SiC衬底、N型SiC外延层、SiO2钝化层、肖特基金属接触层、肖特基接触电极、键合层和放射性同位素源层，其中，N型SiC衬底的掺杂浓度为1×1018～7×1018cm-3，N型SiC外延层通过注入能量为2000KeV～2500KeV，剂量为5×1013～1×1015cm-2的铌离子形成掺杂浓度1×1013～5×1014cm-3。

[0005] 上述专利所使用的传统半导体电性会随着掺杂(doping)微量的不纯物质而产生改变。按照材料本身的电子特性，半导体材料可以分为半质半导体(intrinsic semiconductor)和非半质半导体(extrinsic semicondouctors)，半质半导体是不含外来杂质的材料，因此本身的任何电性，皆来自于本身的性质，如硅(Si,Silicon)和锗(Ge,germanium)；而非半质半导体本身则含有数量可观的外来杂质，所以它的电性，并不完全反应自其本身的纯态。

[0006] 硅和锗都是周期表上第四族的元素，这些半导体材料是以共价键的形式来进行键结的，因此材料里的价电子(valence electrons)，将占满位于价带(valence band)的能阶，价电子必须吸收超过其能隙(energy gap)的能量才能跃升至导带(conducting band)的能阶。这样的特性除了可以使自由电子数目增加，造成导电性增加，此外也使得原来价电子所在的价带上留下一个电洞(electron holes)，这个电动会带正电荷，可以帮助导电，所以半导体材料所具备的导电度将是导带电子与价带电洞所产生的总和。

[0007] 传统半导体材料借由掺质可以调整半导体材料原先所具有的电性。如果在周期表第四族的半导体材料中掺杂了一些第五族的元素，可以造成材料中的负电子增加，此类非半质半导体称为N型半导体；如果在周期表第四族的半导体材料中掺杂一些第三族的元素，可以造成材料中正电子数目增加，此种非半质半导体称为P型半导体。

[0008] 传统半导体块材例如金属费米能阶附近的电子能量是连续的。当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能阶附近的电子能量由连续状态变为离散的不连续能阶。另外，在半导体的纳米颗粒，它的填满电子之最高被占据分子轨域(Highest Occupied Molecular Orbltal，简称HOMO)和没有电子的最低未占据分子轨域(Lowest Unoccupied MoIecula Orbital，简称LUMO)是不连续的，此种能阶变宽，变成不连续的现象，均称为量子尺寸效应。对传统半导体块材而言，它有无限个原子，导电的电子数N亦可视为无限大，则其能阶间距
6E趋近于零。

[0009] 辐射是指处于绝对温度零度以上的物质以电磁波(光子)或粒子形式向外发射能量，也称为放射。因此，辐射从本质上可以分为粒子辐射(包括α粒子即氦原子核、β粒子即正负电子、质子和中子)和电磁辐射(也叫光子辐射)。电磁辐射，由频率从低到高分别为：无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X光和γ射线。后两者属于高能电磁辐射。对高能短波长的α、β和γ等粒子言，其波长极短，传统半导体的电子数N值过大，需要N值亦很小的转换材料，这将导致6E值不为零而有一定的值，即能阶间距发生分裂。

[0010] 在1977年，白川英树、艾伦·麦克德尔米德和艾伦·黑格报告在掺碘的氧化聚乙炔有类似的高导电率。因为在导电聚合物领域也就是共轭聚合物(π电子轨域)有开创性的发现，他们共同获得2000年诺贝尔化学奖。自从1980年代后期，π电子轨域半导体已成为导电聚合物的一个重要应用。

[0011] 采用π电子轨域半导体将能解决次世代电子材料所面对的种种瓶颈。1981年，麻省理工学院提出有机分子π电子轨域半导体的概念。有机分子在生命科学领域扮演重要角色，因此其可能具有半导体材料的电性往往不容易被注意到。其实有机材料并不是很好的导电材料，但是硷基具有π电子，硷基所具有的轨域会沿着中轴产生重迭，这种轨域重迭的现象，被认为可以促进分子的导电性。

[0012] D.D.Eley探讨过许多芳香族化合物(aromatic compounds)的电性，得知当π电子数目增加时，半导体的能隙会减小，20个π电子所组成的分子结晶，所具有的能隙大约是1.5±0.5eV；10个π电子，所具有的能隙大约是3.0±1eV。

[0013] π电子轨域半导体的电子跃迁情形和传统无机半导体不同，无机半导体(如硅、砷化镓)是以共价键将原子紧密地排列在一起，所以电子云重迭的部分很多，使得原子的能阶产生分裂，形成导带和价带。在传统固态半导体内，电子是从价带跃迁到导带的机制，所以传统无机半导体的光学跃迁机制主要是由价带、导带所决定。但π电子轨域半导体却不是以共价键结合在一起，在π电子轨域半导体晶体中，分子和分子之间是用凡得瓦力(van der Waals'force)连结起来。相较于共价键，凡得瓦力就小很多，因此分子和分子之间电子云的重迭就小很多，虽然能阶还是会分裂，但分裂的程度很小，所以π电子轨域半导体晶体的能带就很窄，晶体的能阶结构和单一分子差异不大，电子还是在分子本身的混成轨域之间跃迁，电子会从分子内的最高已占据分子轨域(the highest occupied molecular orbital，简称HOMO)跃迁到最低未占据分子轨域(the lowest unoccupied molecular orbital，简称LUMO)，甚至是更高的未占据分子轨域(the unoccupied molecular orbital，简称UMO)。不过对π电子轨域半导体来说，激子(exciton)跃迁比电子在轨域之间的跃迁更重要，激子在光学跃迁、载子传输中扮演很重要的角色，π电子轨域半导体内较常出现的跃迁现象分为：(1)价带-能带跃迁：在价带的电子吸收光子后获得能量，从价带跃迁至导带，所以导带是电子的激发态；(2)激子跃迁：在价带的电子吸收光子后产生跃迁，但由于电子和电洞之间的库伦力作用，使得电子和电洞束缚在一起，形成电子-空穴对。此时库伦力提供束缚能，这让电子虽然处于激发态中，但这个激发态的能量比导带小，造成导带下面存在着激发态。
所以激子跃迁的能隙(energy gap)比价带-能带跃迁的能隙小。

[0014] 传统半导体材料的电性可以藉由掺杂一些掺质来调整，使其可以用来作为半导体元件的设计与制作。但是如果要应用π电子轨域半导体来做为半导体材料，必须找到适合用来掺杂以改变电性的离子或化合物。由于π电子轨域半导体材料子所具有的特殊结构与性质，这样的掺杂材料与掺离方式和传统半导体不同，可以用来吸附或结合于π电子轨域半导体材料的掺质通常是一些能吸收放射性的金属错合物。Intercalator是一种可以连结有机分子的化合物，是具有平面芳香杂环的阳离子，如溴乙非啶(ethidium)，它们会插入π电子轨域半导体材料结构中，造成分子被排挤而有延长以及直径变小的现象，每隔1.02nm的距离可以插入一个intercalator分子，这些可以连结于π电子轨域半导体材料的化合物包括〔Pt(terpy)(SCH2CH2OH)〕+、[Pt(bpy)(en)]2+、[Pt(o-phen)(en)]2+和[Pt(py)2(en)]2+等。

[0015] 除此之外，还有一些可以连结有机分子的平面金属错合物(planar  metal complexes)，如metalloporphyrins，如MPE-Fe(II)和[Pt(AO-en)Cl2]等，这些多环化合物所具有的π电子，以及金属错合物中过渡金属阳离子所带的自由电子，都可以作为掺杂于π电子轨域半导体材料的掺质，以调整π电子轨域半导体材料分子的电性。除了上述的方法之外，还可以利用cisplatin这种白金化合物来处理π电子轨域半导体材料分子。

[0016] π电子轨域半导体材料分子的光子转换效应，在很小的偏压下即可将电子发射出去，实验证实π电子轨域半导体材料分子可在偏压下转换高能短波长的α、β和γ等粒子所带之能量，转换后所产生的电流密度是传统固态半导体薄膜的百万倍强度。π电子轨域半导体材料分子对高能粒子的电场的变化极为敏感，相比传统固态半导体，为制作吸收载能α、β和γ粒子等高能射线转换电能的绝佳材料。

[0017] 本发明的目的在于提出一种π电子轨域半导体型量子电池，以提高核电池转换电能的效率。

[0018] π电子轨域半导体型量子电池，自下而上包括N型欧姆接触电极、N型π电子轨域半导体基板和N型π电子轨域半导体外延层，

[0019] SiO2钝化层设于N型π电子轨域半导体外延层的上表面两侧，石墨接触层设于N型π电子轨域半导体外延层的上表面中部，放射性同位素源层设于石墨接触层上方，[0020] 肖特基接触电极设于SiO2钝化层与石墨接触层相邻处的上方，键合层设于肖特基接触电极上方，其中，

[0021] N型π电子轨域半导体基板是含芳香族结构的有机半导体基板或含碳键结构的半导体基板，

[0022] N型π电子轨域半导体外延层的掺杂浓度为1×1013～5×1014cm-3，掺杂浓度是通过注入剂量为6×1013～1×1015cm-2的阳离子错合物所形成。

[0023] 进一步地，N型π电子轨域半导体外延层的厚度为3～5μm。

[0024] 进一步地，放射性同位素源层为镍-63层、钸-238层、锔-244层、锔-242层、铀-235层、铀-238层中的一种。

[0025] 进一步地，N型欧姆接触电极为石墨电极。

[0026] 进一步地，肖特基接触电极为Ni电极、Pt电极、Au电极、石墨电极中的一种。

[0027] 依本发明，N型π电子轨域半导体基板与N型π电子轨域半导体外延层可减少外延层的载流子浓度，增加耗尽区的宽度，并提高所产生的电子空穴对收集率，借以提高电池的开路电压与能量转换效率。

[0028] 本发明公开的π电子轨域半导体型量子电池具有以下有益效果：

[0029] 1、高能量总体效率：核能转换成电能的效率约10至30％；

[0030] 2、辐射防护：电池表面具有不超过10毫雷姆的允许辐射剂量；

[0031] 3、比能量：重量比能量约10至30千瓦时/公斤，体积比能量约10至30千瓦时/立方公分；

[0032] 4、使用寿命：可依实际状况使用达5至100年；

[0033] 5、高性能比：综合性能比约为传统锂离子电池的50至1000倍。附图说明

[0034] 图1为本发明公开的π电子轨域半导体型量子电池的一实施例的结构示意图；

[0035] 图2为图1中A-A面的截面图；

[0036] 其中：

[0037] 1-N型欧姆接触电极             2-N型π电子轨域半导体基板

[0038] 3-N型π电子轨域半导体外延层   4-SiO2钝化层

[0039] 5-石墨接触层                  6-肖特基接触电极

[0040] 7-键合层                      8-放射性同位素源层具体实施方式：

[0041] 为让本发明上述目的、功效、特征更明显易懂，下文特举较佳实施例详细说明之：

[0042] 具体实施例1

[0043] 请参照图1及图2，本发明所揭露的π电子轨域半导体型量子电池，自下而上包括一N型欧姆接触电极1、一N型π电子轨域半导体基板2和一N型π电子轨域半导体外延层3，[0044] SiO2钝化层4设于N型π电子轨域半导体外延层3的上表面两侧，

[0045] 石墨接触层5设于N型π电子轨域半导体外延层3的上表面中部，

[0046] 放射性同位素源层8设于石墨接触层5上方，

[0047] 肖特基接触电极6设于SiO2钝化层4与石墨接触层5相邻处的上方，

[0048] 键合层7设于肖特基接触电极6上方，其中，

[0049] N型π电子轨域半导体基板2是含芳香族结构的有机半导体基板，

[0050] N型π电子轨域半导体外延层3的掺杂浓度为1×1013，该掺杂浓度是通过注入剂量为6×1013cm-2的阳离子错合物(溴乙非啶)所形成。

[0051] N型π电子轨域半导体基板2为设置于N型欧姆接触电极1上方，且其掺杂浓度为1x1018～7x1018cm-3。

[0052] 于本实施方式中，N型欧姆接触电极1可以为石墨电极或不限于Ni/Cr/Au合金层。

[0053] N型π电子轨域半导体外延层3设置于N型π电子轨域半导体基板(2)上方。

[0054] 于本实施方式中，N型π电子轨域半导体外延层3的厚度为3μm。

[0055] SiO2钝化层4为设置于N型π电子轨域半导体外延层3上方的一部分。

[0056] 石墨接触层5与肖特基接触电极6为设置于N型π电子轨域半导体外延层3上方的另一部分。

[0057] 于本实施方式中，肖特基接触电极6为Ni电极。

[0058] 键合层7设置于肖特基接触电极6上方。

[0059] 于本实施方式中，键合层7为Cr/Au合金层。

[0060] 放射性同位素源层8设置于石墨接触层5上方。

[0061] 进一步地，放射性同位素源层8为镍-63层。

[0062] 须叙明的是，每一层结构形成与对应之下方层结构的方法并非发明所保护的范围，且为熟悉本发明所属技术领域之人士理解，并运用习知技术手段(如物理沉积、化学沉积、涂布、浸泡、化学置换、或喷洒)来实现，故形成的方法于此无需赘述。

[0063] 透过上述结构，由于N型π电子轨域半导体基板2与N型π电子轨域半导体外延层3的配置，可减少外延层的载流子浓度，增加耗尽区宽度，并提高所产生的电子空穴对收集率，从而提高电池的开路电压与能量转换效率。

[0064] 具体实施例2

[0065] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0066] N型π电子轨域半导体外延层3的掺杂浓度为5×1014cm-3，该掺杂浓度是通过注入剂量为1×1015cm-2的阳离子错合物(金属卟啉)所形成；

[0067] N型π电子轨域半导体基板2是含碳键结构的半导体基板；

[0068] N型π电子轨域半导体外延层3的厚度为5μm；

[0069] 肖特基接触电极6为Pt电极；

[0070] 放射性同位素源层8为钸-238层。

[0071] 具体实施例3

[0072] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0073] N型π电子轨域半导体外延层3的掺杂浓度为2×1014cm-3，该掺杂浓度是通过注入剂量为6×1014cm-2的阳离子错合物(溴乙非啶)所形成；

[0074] N型π电子轨域半导体外延层3的厚度为4μm；

[0075] 肖特基接触电极6为Au电极；

[0076] 放射性同位素源层8为锔-244层。

[0077] 具体实施例4

[0078] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0079] 肖特基接触电极6为石墨电极；

[0080] 放射性同位素源层8为锔-242层。

[0081] 具体实施例5

[0082] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0083] 放射性同位素源层8为铀-235层。

[0084] 具体实施例6

[0085] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0086] 放射性同位素源层8为铀-238层。

[0087] 惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例，但不能以此限定本发明实施之范围；故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作之简单的等效改变与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。