SiC辐射伏特式同位素电池的设计及制备研究

辐射伏特式同位素电池使用寿命长、易于小型化,是微能源领域的优良选择。使用宽禁带半导体材料作为电池换能元件理论具有更高的能量转换效率,然而实验制备的样品能量转换效率仍偏低,仅在1%水平。本文综合分析了能量转换效率影响因素,指出制备工艺的重要性。通过理论计算与数值模拟方法,对比分析了4种代表性半导体材料PIN构型下同位素电池理论输出性能,结果显示PIN结构SiC电池理论效率最高,可达17%。结合制备工艺水平,针对PIN型SiC电池进行了优化设计,并进行了样品制备。在3.7×10^(8) Bq 63Ni源辐照条件下,电池样品获得短路电流8~10 nA、开路电压0.45~0.82 V、效率0.26%~0.60%。实验测试结果与理论设计值相比仍有一定差距,通过分析明确了表面工艺是未来提高电池性能的重点。

辐射伏特效应同位素电池换能单元设计及其性能测试

以单晶硅基结型器件为基础,探讨其结构与辐射作用下电输出性能的关系,为辐射伏特效应同位素电池换能单元(PN结)设计提供依据。设计制作了两种可作为同位素电池换能单元用的单晶硅半导体PN结型器件,使用63Ni源辐照这些器件并测量其电输出性能。结果表明,新设计的器件具有比原器件更大的开路电压、输出功率和能量转换效率。

辐射伏特效应同位素电池换能单元的初步设计

初步设计制作3种辐射伏特效应同位素电池换能单元,测试其在固态63Ni源和3H源辐照下的输出电特性,对输出电特性进行数学解析模型分析并提出进一步改进设计的思路。结果表明,设计的换能单元在发射高能α同位素作用下,性能快速急剧退化;在2.96×108Bq的63Ni源辐照下,获得最大短路电流为28.4nA,最大开路电压为0.267V;在约5.09×109Bq的3H源辐照下,获得最大短路电流为62.8nA,最大开路电压为0.260V。当前换能单元参数还需进一步优化。

辐射伏特效应同位素电池研究进展

辐射伏特效应同位素电池(RVIB)以其独特的优势,将在以IC和MEMS为基础的微系统领域发挥重要作用。近年来,关于RVIB的研究主要集中于换能单元的三维结构以及新型半导体材料器件方面,结合驱动源放射性同位素选择的多样性,使能量转换效率和稳定性等电输出性能得到改善。本文概略介绍了放射性同位素电池(RIB),并针对近年来RVIB研究进展进行了系统综述,对其研究方向和应用前景作了展望。

^(63)Ni辐射伏特同位素电池原型的研制

利用理论研究获得的换能单元参数制备了单晶硅基换能单元,确定了63 Ni的加载工艺和原型电池的封装材料配方与技术,通过加速热老化和温度交变考核了原型电池的性能。结果表明:所制备的63 Ni辐射伏特效应微型同位素原型电池的短路电流Isc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax和衰变能-电能转换效率η分别为5.97nA、88.0mV、0.255nW和0.561%;原理样机稳定输出超过220d。

金刚石辐射伏特效应同位素电池器件研究进展

微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定,可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车、海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型,辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高、易于微型化被广泛研究,并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石具有5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性,使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展,金刚石晶体的外延技术突飞猛进,为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。本文对比了常见的同位素电池换能结用半导体材料和辐射源材料的特性,介绍了辐射伏特效应的基本原理,接着对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析,并汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池研究的文献,通过各个参数,如开路电压、转换效率等的对比,指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。通过分析金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结目前的性能与应用情况,给出了基于金刚石异质pn结的高性能同位素电池的结构设计,并进行了总结与展望。

基于石墨烯的肖特基结辐射伏特同位素电池

从传统肖特基结辐射伏特同位素电池金属电极存在的对放射源衰变粒子的阻挡及导电性不理想的问题出发,借鉴石墨烯肖特基结太阳电池结构,将石墨烯/硅肖特基结引入辐射伏特同位素电池中,在63 Ni放射源的照射下验证石墨烯/硅肖特基结换能单元在辐射伏特同位素电池中应用的可行性。研究结果发现,基于硝酸掺杂,当少层(3~5层)石墨烯经过4次转移叠加后,石墨烯/硅肖特基结换能单元在活度为5 mCi/cm^(2)的63 Ni放射源照射下,获得了48 mV的开路电压和30.3 nA/cm^(2)的短路电流密度,能量转换效率约0.1%,其电性能输出显著优于传统金/硅肖特基结换能单元。由此可见,使用石墨烯作为金属电极层的肖特基结换能单元,相较于传统的金属电极,不仅降低了其对放射源β粒子的阻挡作用,还提高了电极层对电子-空穴对的传输作用,说明了石墨烯在辐射伏特同位素电池中的应用是可行的。

电极材料对肖特基结β辐射伏特同位素电池性能的影响

肖特基结β辐射伏特同位素电池的换能单元由金属电极层和半导体层组成,金属电极层材料的选择对提高电池输出性能有重要的影响。目前,肖特基金属电极材料多集中于Au和Ni两种金属,尚未对不同金属电极材料进行系统的分析对比。针对不同电极材料导电性能的差异,引入电子传输效率因子,从理论上分析对比了Al、Au、Cu、Ni和石墨烯5种电极材料对其制备的肖特基结同位素电池输出性能的影响。基于理论分析,制备Au/硅和石墨烯/硅肖特基结同位素电池并测试了其在^(63)Ni放射源照射下的输出性能,结果表明:石墨烯/硅同位素电池的短路电流密度和输出功率密度较Au/硅同位素电池分别提高了约27%和100%,证实了石墨烯作为肖特基结β辐射伏特同位素电池的电极材料具有明显的优势。

辐射伏特效应同位素电池研究进展

微机电系统（MEMS）正在受到越来越多的关注，但是缺少合适的机载电源使其应用被大大限制，成为制约其发展的瓶颈，因此开发一种小体积，高能量密度，长使用寿命的优质新型电源迫在眉睫。近年来，辐射伏特效应同位素电池的研究在国内外广泛开展，它是利用半导体结型器件的特殊性质，以放射性同位素作为驱动源，将衰变能转换为电能。这种电池具有理论转换效率高、使用寿命长、免维护、抗干扰性强等优点加之放射性同位素具有很大的能量密度，可以使电池（微）小型化和轻质（量）化；其主要结构一换能单元是半导体器件，因此很容易与MEMS一体化。这些特点使它成为可应用于MEMS的合适备选机载电源之一。

同位素电池研发与应用进展

放射性同位素电池因其在特定应用领域具有不可替代性和巨大的战略意义,而受到世界先进国家政府、学术界与工业界的广泛关注。本文首先介绍了同位素电池的应用现状,然后从同位素电池研发历史、最新进展和技术瓶颈等方面介绍了同位素电池研究进展,最后讨论了同位素电池未来重点研发方向并对我国同位素电池发展提出现实可行的建议,以期望实现我国同位素电池技术快速超车和到达世界一流水平。

β辐射伏特效应核电池的研发现状

近年来,关于β辐射伏特效应核电池的研究主要集中在放射源的选取以及新型半导体材料器件的加工工艺等方面.从能量转换机制、放射源的选择、换能器件材料的选择、电池的输出性能和能量转换效率等方面对β辐射伏特效应核电池进行了讨论和分析.最后对核电池的研究方向和应用前景进行了展望.

Si基^63Ni辐射伏特效应同位素电池的优化设计与分析

目前国内外研究的各类微能源中,β辐射伏特效应同位素电池因能量密度高、寿命长、输出性能稳定等优点在许多领域具有广泛的应用前景.本文从辐射伏特效应的基本原理出发,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,得出了辐生电流、开路电压等性能参数的计算公式,探讨了少子扩散长度、掺杂浓度、结深等对性能的影响,并提出了采用硅基63Ni源的同位素电池的最佳设计参数:63Ni源质量厚度为1mg/cm2,单晶硅半导体P区掺杂浓度为1×1019cm?3,N区掺杂浓度为3.16×1016cm?3,结面积为1cm2,结深为0.3?m,总厚度不超过160?m.得到的短路电流、开路电压、最大输出功率及转化率分别为:573.3nA,0.253V,99.85nW,4.94%.为低功率场所,如微型机电系统、心脏起搏器等所需的微能源提供参数依据.

能量转换器件参数对氚和^(147)Pm辐射伏特同位素电池性能影响

采用理论模拟和实验方法,开展单晶硅PN结能量转换器件的结构参数和性能对氚源和147Pm源加载下的同位素电池输出性能影响研究.结果显示:同样的能量转换器件参数(包括表面钝化层厚度、顶层掺杂浓度和厚度、基层掺杂浓度和厚度、器件的漏电流等)对不同加载放射源的辐伏同位素电池输出性能影响相差较大.该结果对选择不同加载源的辐伏同位素电池能量转换器件设计具有较大指导和参考作用.

β辐射伏特效应同位素电池的优化设计研究进展

β辐射伏特效应同位素电池具有使用寿命长、能量密度高、体积小、环境适应性强和可持续供电等优势,在微机电系统等低功率电子器件领域具有非常深远的应用潜力。目前,该类型同位素电池存在结构设计不够理想、载流子复合严重、输出性能偏低等问题。针对存在的不足,本工作介绍了吉林大学同位素电池研究组在β辐射伏特效应同位素电池优化设计方面的研究进展,利用蒙特卡罗程序和有限元分析软件建立了能精确预测该类型同位素电池输出性能的仿真模型,研究辐生载流子的输运和收集特性;选择GaAs作为半导体换能材料进行同位素电池的实验制备,提出了含有空穴/电子传输层的GaAs基换能单元结构,增强辐生载流子的输运和收集。进一步,利用建立的仿真模型预测了基于宽禁带半导体材料的β辐射伏特效应同位素电池的输出性能,分析影响电池转换效率的因素,明确了电池转换效率与半导体材料禁带宽度的关联性。此外,提出了核壳结构纳米线型β辐射伏特效应同位素电池设计思想,提高β粒子吸收率同时降低辐生载流子表面复合率。最后,就进一步提高β辐射伏特效应同位素电池的输出性能,提出了载能-换能一体化的思想理念。

半导体器件在辐射作用下的电学输出性能

半导体结型器件是决定辐射伏特效应同位素电池能量转换效率的核心部件。本工作采用加速器产生的不同能量电子束和^(63)Ni源的β射线对硅基PiN结型器件进行辐照,在线测量了其电学输出性能。结果表明,当电子束能量为18 keV时,能量转换效率>4%;电子束能量为6 keV时,能量转换效率为0.16%～0.33%;活度为2.96×10~8Bq的^(63)Ni源片辐照的能量转换效率约为0.1%。

用于MEMS电源的贝塔辐伏电池研究进展

贝塔辐伏电池是能够将放射性同位素发出的贝塔射线转化为电能的装置,具有高环境适应性、超长寿命、超大功率密度、小体积、高稳定性等诸多优点,是MEMS (微机电系统)电源发展的重要研究方向。随着半导体制作工艺的发展,基于P-N结和肖特基结换能结构的贝塔辐伏电池表现出良好的应用前景。对贝塔辐伏电池的发展历史和研究现状进行了综述,并对其未来的发展进行了展望。

用于微机电系统电源的贝塔辐伏电池研究进展

贝塔辐伏电池是能够将放射性同位素发出的贝塔射线转化为电能的装置,具有高环境适应性、超长寿命、超大功率密度、小体积、高稳定性等诸多优点,是微机电系统(MEMS)电源发展的重要研究方向。随着半导体制作工艺的发展,基于P-N结和肖特基结换能结构的贝塔辐伏电池表现出良好的应用前景。对贝塔辐伏电池的发展历史和研究现状进行了综述,并对其未来的发展进行了展望。

放射性同位素电池的研究进展

放射性同位素电池因其巨大的应用前景而受到学术界与工业界的广泛重视.本文简述了放射性同位素电池的历史背景、发展历程及现存的关键技术瓶颈;简单介绍了放射性同位素电池的基本原理与设计要求,讨论了目前国内外研究的不同换能方式同位素电池的技术方案,具体介绍了静态型热电式同位素电池、辐射伏特效应同位素电池、动态换能方式同位素电池、压电换能机制同位素电池的实验原理与研究进展;最后,对上述几种技术方案进行了分类总结与对比分析,并结合放射性同位素电池未来发展趋势、发展要求和用于放射性同位素电池燃料的同位素来源,展望了放射性同位素电池未来发展前景与潜在应用.

PN结型器件在氚钛片辐照下电输出性能

用多片具有不同金属钛膜厚度和充氚量的氚钛片对两种单晶硅基PN结型器件进行了辐照,在线测量了它们的电输出性能并进行了定性分析。结果表明,在本文所采用的钛膜厚度和氚量级下,器件输出短路电流等随充氚量增加而小幅增大,但不成正比关系;器件的掺杂浓度、结深等结构参数对器件电输出性能影响较大。

氚钛片辐照硅基半导体器件电学输出性能

制备了多个不同厚度金属钛膜吸附不同量3H的氚钛片,利用这些源片辐照硅基半导体器件,测试并分析了它们的电学输出性能。结果表明,这些氚钛片辐照硅基半导体器件可以输出电流,但由于金属钛对氚源β射线的阻挡,器件输出电流和最大输出功率与钛膜中贮氚量不呈正比增长关系,小的钛膜厚度有利于提高β射线能量利用率。