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科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在高輸出性能核電池設(shè)計(jì)研究方面取得新進(jìn)展

儀表網(wǎng) 2023-12-14
          近日,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院核能安全所韓運(yùn)成項(xiàng)目組在貝塔輻射伏特核電池研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)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(zhǎng)壽命、高能量密度、微小尺寸和優(yōu)異的抗干擾能力等特點(diǎn),被普遍認(rèn)為是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中極具潛力的能源替代選項(xiàng)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(jì),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(shì)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(duì)產(chǎn)生率(G(x))擴(kuò)展到了3D結(jié)構(gòu)中,使得高效設(shè)計(jì)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(dá)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(duì)載流子的輸運(yùn)和收集特性進(jìn)行了深入分析,闡明了貝塔輻射伏特電池的功率提升機(jī)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(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(shí)際二極管仿真結(jié)果的對(duì)比,(c)電場(chǎng)及電子-空穴對(duì)復(fù)合率的空間分布
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