哈尔滨工业大学在金刚石同位素电池研究领域取得系列进展

DT半导体材料 2022-06-21 19:09

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研究背景

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。

1. 综述文章

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。

论文信息

刘本建,张森,郝晓斌,文东岳,赵继文,王伟华,刘康,曹文鑫,代兵,杨磊,韩杰才,朱嘉琦.金刚石辐射伏特效应同位素电池器件研究进展[J].人工晶体学报，2022,51(5):801-813.

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

2. 高开路电压的金刚石同位素电池器件

提高金刚石核电池的开路电压是提高其性能的关键。本文成功地将ZnO薄膜用作金刚石肖特基核电池的电子传输层。与无ZnO层的器件相比，有ZnO层的器件的开路电压从1.03伏提高到1.43伏，转换效率提高了100%到1.42%。通过比较添加ZnO层前后器件结构图和电位分布，试图找出开路电压升高的原因。本研究为提高核电池的开路电压和转换效率提供了新的途径。

论文信息

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. 高质量外延层的金刚石同位素电池器件随辐射源活度的性能变化

在IIb型掺硼金刚石衬底上外延生长了高质量的金刚石本征层。通过拉曼光谱和交叉偏振器图像评估外延层的质量，并与其他样品进行比较。分析了二极管的暗电流，发现在±7 V下整流比高达2×10^9。研究了转换器在不同镅-241活性源辐照下的电流-电压特性。在源活度为8.85μCi/cm2的镅-241源辐照下，金刚石同位素电池的最大总转换效率为1.41%，短路电流为6.68 nA/cm2，开路电压（Voc）为1.06 V。阐明了电池参数随镅-241源活性增加的趋势。参数Isc和Voc随放射源放射性的增加而增加。总转换效率随放射源放射性的增加而增加，但随填充因子的增加在一定的放射性间隔内波动，然后随放射源放射性的增加而减少。研究结果对同位素电池的设计具有重要意义。

论文信息

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. 阿尔法辐射伏特效应同位素电池及其抗辐射性能测试

制作了金刚石肖特基阿尔法辐射伏特效应同位素电池，并进行了其在粒子辐照下性能衰变测试。该器件是在掺硼高温高压金刚石外延生长的氧封端本征CVD金刚石上形成的。开路电压为1.13 V 在低活度阿尔法源下测量得到的，器件总转换效率为0.83%。与Si和SiC二极管相比，金刚石肖特基阿尔法辐射伏特效应同位素电池同时具有更好的开路电压和短路电流稳定性，这意味着其具有实现高稳定转换效率的最大潜力。

论文信息

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

来源：红外薄膜与晶体，编辑：范赛飞