核能安全所在高输出性能核电池设计研究方面取得新进展
文章来源：何厚军 发布时间：2023-12-06
近日，中国科学院合肥物质科学研究院核能安全所韩运成项目组在贝塔辐射伏特核电池研究领域取得了新进展，相关研究成果发表在《核科学与技术》（Nuclear Science and Techniques）期刊上。
贝塔辐射伏特核电池利用放射性同位素释放的贝塔粒子转化为电能，具备长寿命、高能量密度、微小尺寸和优异的抗干扰能力等特点，被普遍认为是微机电系统（MEMS）中极具潜力的能源替代选项之一。然而，传统的平面电池受到半导体结构和放射源加载的限制，半导体转换器仅能利用放射源单面释放的衰变能，导致输出功率和转换效率低，输出功率限制在nW水平，无法满足MEMS系统的功率需求。
为解决上述问题，研究人员提出了一种创新的三维（3D）电池设计，基于63Ni-SiC材料构建了一种P+PNN+多沟槽结构。这一结构的优势在于，无需在半导体器件的沟槽内表面外延PN结，以降低漏电流和功率损失。研究人员通过蒙特卡洛模拟方法，充分考虑完全耦合的物理模型，成功将电子-空穴对产生率（G(x)）扩展到了3D结构中，使得高效设计和开发具有复杂3D结构的贝塔辐射伏特电池成为可能。
研究结果显示，相较于传统的平面电池，新提出的3D电池在最大输出功率密度方面表现出优越性能，达到了20 μW/cm2水平，相应的短路电流、开路电压和转换效率分别为8.5 μA/cm2、2.5 V和4.6%。此外，研究还对载流子的输运和收集特性进行了深入分析，阐明了贝塔辐射伏特电池的功率提升机制，揭示了理想性能与仿真性能之间的差异。本研究为设计和优化高输出性能的辐射伏特核电池提供了新思路。
核能安全所博士研究生何厚军为论文第一作者，郑明杰研究员和王晓彧博士后为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、合肥市自然科学基金、科学岛研究生创新创业基金的支持。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s41365-023-01331-y
图1.（a）P+PNN+三维沟槽结构示意图及能量沉积分布，（b）三维沟槽结构G(x)模型
图2.（a）A, Q, Pm, JSC and A·Q 与 H_P的相关性，(b) 理想二极管的输出性能与实际二极管仿真结果的对比，（c）电场及电子-空穴对复合率的空间分布
