研究背景

微機電系統、深空、深海探測任務等對于長效、便攜電源提出了更高的要求。同位素電池由于其能量密度高、功率輸出穩定，可以在高低溫、無太陽光照等極端環境下持續不斷地為月球車，海底探測器等提供能量。作為同位素電池中的主要類型，輻射伏特效應同位素電池由于其理論能量轉換效率高，易于微型化被廣泛研究，并已經成功應用于心臟起搏器。寬禁帶的半導體換能結器件制作的同位素電池能夠獲得更高的能量轉換效率。寬禁帶半導體中的代表金剛石5.5 eV的禁帶寬度與耐輻射的特性使其成為制作輻射伏特效應同位素電池換能結器件的最佳選擇。隨著化學氣相沉積技術的發展，金剛石晶體的外延技術突飛猛進，為金剛石半導體器件的發展打下了材料基礎。

1. 綜述文章

本文對比了常見的同位素電池換能結用半導體材料和輻射源材料的特性，介紹了輻射伏特效應的基本原理，接著對輻射伏特效應同位素電池的關鍵參數進行了分析，并匯總了有關金剛石輻射伏特效應同位素電池研究的文獻，通過各個參數，如開路電壓，轉換效率等的對比，指出了目前金剛石同位素電池發展的狀態與存在的問題。通過分析金剛石與其他n型半導體材料組成的異質pn結目前的性能與應用情況，給出了基于金剛石異質pn結的高性能同位素電池的結構設計，并進行了總結與展望。

論文信息

劉本建,張森,郝曉斌,文東岳,趙繼文,王偉華,劉康,曹文鑫,代兵,楊磊,韓杰才,朱嘉琦.金剛石輻射伏特效應同位素電池器件研究進展[J].人工晶體學報，2022,51(5):801-813.

DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20220402.007.

2. 高開路電壓的金剛石同位素電池器件

提高金剛石核電池的開路電壓是提高其性能的關鍵。本文成功地將ZnO薄膜用作金剛石肖特基核電池的電子傳輸層。與無ZnO層的器件相比，有ZnO層的器件的開路電壓從1.03伏提高到1.43伏，轉換效率提高了100%到1.42%。通過比較添加ZnO層前后器件結構圖和電位分布，試圖找出開路電壓升高的原因。本研究為提高核電池的開路電壓和轉換效率提供了新的途徑。

論文信息

Liu Benjian, Liu Kang, Jiwen Zhao, Han Jiecai, Zhu Jiaqi, Dai Bing, et al. "Enhanced performance of diamond Schottky nuclear batteries by using ZnO as electron transport layer." Diamond and Related Materials 109 (2020): 108026.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963520305793

DOI:10.1016/j.diamond.2020.108026

3. 高質量外延層的金剛石同位素電池器件隨輻射源活度的性能變化

在IIb型摻硼金剛石襯底上外延生長了高質量的金剛石本征層。通過拉曼光譜和交叉偏振器圖像評估外延層的質量，并與其他樣品進行比較。分析了二極管的暗電流，發現在±7 V下整流比高達2×10^9。研究了轉換器在不同镅-241活性源輻照下的電流-電壓特性。在源活度為8.85μCi/cm2的镅-241源輻照下，金剛石同位素電池的最大總轉換效率為1.41%，短路電流為6.68 nA/cm2，開路電壓(Voc)為1.06 V。闡明了電池參數隨镅-241源活性增加的趨勢。參數Isc和Voc隨放射源放射性的增加而增加。總轉換效率隨放射源放射性的增加而增加，但隨填充因子的增加在一定的放射性間隔內波動，然后隨放射源放射性的增加而減少。研究結果對同位素電池的設計具有重要意義。

論文信息

Liu Benjian, Liu Kang, Ralchenko Victor, Han Jiecai, Zhu Jiaqi, Dai Bing, et al. Effect of americium‐241 source activity on total conversion efficiency of diamond alpha‐voltaic battery[J]. International Journal of Energy Research, 2019, 43(11): 6038-6044.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/er.4674?casa_token=4C6XhCiLCToAAAAA:RYDae896MF8IwybWdNBnqxcXSmdRy4TvZf4LkkBHaMYuM1oKgZXf4fuwGlNX4Jrrb5gfR_ATsXpajcc

DOI:10.1002/er.4674

4. 阿爾法輻射伏特效應同位素電池及其抗輻射性能測試

制作了金剛石肖特基阿爾法輻射伏特效應同位素電池，并進行了其在粒子輻照下性能衰變測試。該器件是在摻硼高溫高壓金剛石外延生長的氧封端本征CVD金剛石上形成的。開路電壓為1.13 V?在低活度阿爾法源下測量得到的，器件總轉換效率為0.83%。與Si和SiC二極管相比，金剛石肖特基阿爾法輻射伏特效應同位素電池同時具有更好的開路電壓和短路電流穩定性，這意味著其具有實現高穩定轉換效率的最大潛力。

論文信息

Liu Benjian, Dai Bing, Liu Kang, Ralchenko Victor, Han Jiecai, Zhu Jiaqi et al. Alpha-voltaic battery on diamond Schottky barrier diode[J]. Diamond and Related Materials, 2018, 87: 35-42.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963518300761

DOI: 10.1016/j.diamond.2018.05.008