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

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

随着微机电系统、深空和深海探测任务的不断发展，对长效、便携电源的需求日益增长。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定，在极端环境下也能持续供电，成为这些领域的理想选择。其中，金刚石作为宽禁带半导体材料，具有5.5 eV的禁带宽度和优异的耐辐射特性，是制作辐射伏特效应同位素电池的理想材料。哈尔滨工业大学在这一领域取得了重要进展，通过技术创新和性能优化，为同位素电池的发展开辟了新的方向。

综述性研究

哈尔滨工业大学的研究团队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，并对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析。研究汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池的文献，通过开路电压、转换效率等参数的对比，指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。研究还分析了金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结的性能与应用情况，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。

技术创新：ZnO薄膜的应用

研究团队成功地将ZnO薄膜用作金刚石肖特基核电池的电子传输层。实验结果显示，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，研究团队试图找出开路电压升高的原因。这一发现为提高核电池的开路电压和转换效率提供了新的途径。

性能测试：辐射源活度的影响

研究团队在外延生长的高质量IIb型掺硼金刚石衬底上制备了金刚石同位素电池器件。通过拉曼光谱和交叉偏振器图像评估了外延层的质量，并与其他样品进行了比较。研究发现，二极管在±7 V下的整流比高达2×10^9。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。研究还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。这些研究结果对同位素电池的设计具有重要意义。

辐射稳定性测试

研究团队制作了金刚石肖特基阿尔法辐射伏特效应同位素电池，并对其在粒子辐照下的性能衰变进行了测试。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。在低活度阿尔法源下测量得到的开路电压为1.13 V，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。