近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院核能安全所韓運成項目組在貝塔輻射伏特核電池研究領(lǐng)域取得了新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《核科學(xué)與技術(shù)》(Nuclear Science and Techniques)期刊上。
 

　　貝塔輻射伏特核電池利用放射性同位素釋放的貝塔粒子轉(zhuǎn)化為電能，具備長壽命、高能量密度、微小尺寸和優(yōu)異的抗干擾能力等特點，被普遍認(rèn)為是微機電系統(tǒng)(MEMS)中極具潛力的能源替代選項之一。然而，傳統(tǒng)的平面電池受到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和放射源加載的限制，半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器僅能利用放射源單面釋放的衰變能，導(dǎo)致輸出功率和轉(zhuǎn)換效率低，輸出功率限制在nW水平，無法滿足MEMS系統(tǒng)的功率需求。
 

　　為解決上述問題，研究人員提出了一種創(chuàng)新的三維(3D)電池設(shè)計，基于63Ni-SiC材料構(gòu)建了一種P+PNN+多溝槽結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，無需在半導(dǎo)體器件的溝槽內(nèi)表面外延PN結(jié)，以降低漏電流和功率損失。研究人員通過蒙特卡洛模擬方法，充分考慮完全耦合的物理模型，成功將電子-空穴對產(chǎn)生率(G(x))擴展到了3D結(jié)構(gòu)中，使得高效設(shè)計和開發(fā)具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的貝塔輻射伏特電池成為可能。
 

　　研究結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)的平面電池，新提出的3D電池在最大輸出功率密度方面表現(xiàn)出優(yōu)越性能，達到了20 μW/cm2水平，相應(yīng)的短路電流、開路電壓和轉(zhuǎn)換效率分別為8.5 μA/cm2、2.5 V和4.6%。此外，研究還對載流子的輸運和收集特性進行了深入分析，闡明了貝塔輻射伏特電池的功率提升機制，揭示了理想性能與仿真性能之間的差異。本研究為設(shè)計和優(yōu)化高輸出性能的輻射伏特核電池提供了新思路。
 

　　核能安全所博士研究生何厚軍為論文第一作者，鄭明杰研究員和王曉彧博士后為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃、合肥市自然科學(xué)基金、科學(xué)島研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金的支持。
 

　　圖1.(a)P+PNN+三維溝槽結(jié)構(gòu)示意圖及能量沉積分布，(b)三維溝槽結(jié)構(gòu)G(x)模型

 

　　圖2.(a)A, Q, Pm, JSC and A·Q 與 H_P的相關(guān)性，(b) 理想二極管的輸出性能與實際二極管仿真結(jié)果的對比，(c)電場及電子-空穴對復(fù)合率的空間分布