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(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化為電能，具備長(cháng)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)，被普遍認為是微機電系統（MEMS）中極具潛力的能源替代選項之一。然而，傳統的平面電池受到半導體結構和放射源加載的限制，半導體轉換器僅能利用放射源單面釋放的衰變能，導致輸出功率和轉換效率低，輸出功率限制在nW水平，無(wú)法滿(mǎn)足MEMS系統的功率需求。 

　　為解決上述問(wèn)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材料構建了一種P+PNN+多溝槽結構。這一結構的優(yōu)勢在于，無(wú)需在半導體器件的溝槽內表面外延PN結，以降低漏電流和功率損失。研究人員通過(guò)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結構中，使得高效設計和開(kāi)發(fā)具有復雜3D結構的貝塔輻射伏特電池成為可能。 

　　研究結果顯示，相較于傳統的平面電池，新提出的3D電池在最大輸出功率密度方面表現出優(yōu)越性能，達到了20 W/cm2水平，相應的短路電流、開(kāi)路電壓和轉換效率分別為8.5 A/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(jìn)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(xué)基金、安徽省重點(diǎn)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。 

　　論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s41365-023-01331-y  

圖1.（a）P+PNN+三維溝槽結構示意圖及能量沉積分布，（b）三維溝槽結構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)際二極管仿真結果的對比，（c）電場(chǎng)及電子-空穴對復合率的空間分布