近日，中國科學院合肥物質(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域取得了新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《核科學與技術(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體結(jié)構(gòu)和放射源加載的限制，半導體轉(zhuǎn)換器僅能利用放射源單面釋放的衰變能，導致輸出功率和轉(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，使得高效設計和開發(fā)具有復雜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基金、安徽省重點研發(fā)計劃、合肥市自然科學基金、科學島研究生創(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-空穴對復合率的空間分布