β輻射伏特效應(yīng)同位素電池的設(shè)計(jì)、制備及環(huán)境因素影響研究.pdf

1、隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等低功率電子器件的研究和應(yīng)用日益廣泛。β輻射伏特效應(yīng)同位素電池具有壽命長(zhǎng)、能量密度高、可微型化、無(wú)需燃料補(bǔ)給、易于集成等特點(diǎn)而被視為MEMS微型動(dòng)力源的有效解決方案之一。本文圍繞β輻射伏特效應(yīng)同位素電池的設(shè)計(jì)與制備，從該電池的能量轉(zhuǎn)化效率理論極限、換能單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、微納加工制備工藝、輸出性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及環(huán)境因素（真空度、溫度）對(duì)電池性能影響等方面開展了一系列研究。主要的研究?jī)?nèi)容及成果

2、如下：
　　1）理論研究了同位素源和半導(dǎo)體材料不同條件下β輻射伏特效應(yīng)同位素電池的能量轉(zhuǎn)化效率極限。研究得到了63Ni和147Pm源表面出射活度密度和出射粒子平均能量隨著源厚度的變化規(guī)律，揭示了以往研究結(jié)果中能量轉(zhuǎn)化效率高估的原因。同位素源厚度、表面出射粒子平均能量、表面出射活度密度及半導(dǎo)體材料禁帶寬度越大，同位素電池能量轉(zhuǎn)化效率極限越高，且越不容易受到源和半導(dǎo)體條件的影響。
　　2）采用蒙特卡羅程序MCNP5建立了基于Si

3、和63Ni的同位素電池微納尺度結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)出了輻生電流密度的表達(dá)式，對(duì)同位素源厚度以及換能單元厚度、摻雜濃度、結(jié)深等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；揭示了換能單元在不同結(jié)深條件下，表面和基區(qū)摻雜濃度的最優(yōu)化值與同位素源條件的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明：基于P型襯底的電池輸出性能優(yōu)于基于N型襯底的電池；對(duì)于P型襯底的同位素電池，結(jié)深越淺，電池最優(yōu)化輸出性能越好。
　　3）采用微納加工工藝，制備出單層和夾層結(jié)構(gòu)外延硅基、淺結(jié)硅基和深結(jié)硅基同位素

4、電池樣品若干。討論了保護(hù)環(huán)、溝槽寬度、電極形狀、結(jié)深等表面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及串并聯(lián)連接方式對(duì)同位素電池輸出性能的影響；測(cè)試了不同表面出射活度密度63Ni和單一表面出射活度密度147Pm輻照下電池的輸出性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增加保護(hù)環(huán)對(duì)提升電池輸出性能影響不大，但采用寬溝槽結(jié)構(gòu)和方形電極設(shè)計(jì)有助于提升電池輸出性能；淺結(jié)硅基同位素電池的短路電流密度Jsc高于深結(jié)同位素電池；采用串并聯(lián)方式，夾層結(jié)構(gòu)同位素電池最大輸出功率密度Pmax提升了近1倍，從而

5、驗(yàn)證了采用串并聯(lián)陣列方式提高電池組輸出性能的可行性；高表面出射活度密度63Ni輻照下，電池能量轉(zhuǎn)化效率高于低表面出射活度密度63Ni輻照下的值，與理論預(yù)期相符。
　　4）研究了不同63Ni源和空氣間距條件下真空度對(duì)同位素電池輸出性能的影響規(guī)律，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論修正。研究結(jié)果表明：隨著真空度提高，β粒子在換能單元中的沉積能增加，同位素電池的輸出性能顯著提升，1.0×102Pa時(shí)，兩者基本達(dá)到最大值；考慮反向飽和電流密度J0、理

6、想因子n和并聯(lián)電阻Rsh以及電子空穴對(duì)收集幾率等因素，進(jìn)行修正后所得的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值更為接近。
　　5）研究了不同63Ni源條件下溫度對(duì)同位素電池輸出性能的影響規(guī)律，討論了單層和夾層結(jié)構(gòu)同位素電池的溫度特性，并驗(yàn)證了源表面出射活度密度的影響。研究結(jié)果表明：隨著溫度增加，短路電流密度Jsc緩慢增加，而開路電壓Voc和最大輸出功率密度Pmax線性下降，填充因子FF則逐漸減?。辉春穸?、表面出射粒子平均能量、表面出射活度密度越大，Vo

7、c和Pmax的溫度系數(shù)越小，即同位素電池輸出性能越不易受到溫度的影響；上單層、下單層和夾層結(jié)構(gòu)外延硅基和深結(jié)硅基同位素電池的Voc和Pmax在低溫段呈線性下降，在高溫段呈指數(shù)下降；Voc的溫度系數(shù)的實(shí)測(cè)值低于理論值，而Pmax溫度系數(shù)的實(shí)測(cè)值大于理論值。
　　本文的研究工作，可為β輻射伏特效應(yīng)同位素電池的性能評(píng)估、器件設(shè)計(jì)、性能改進(jìn)以及穩(wěn)定性研究提供重要理論依據(jù)和技術(shù)支持，在推動(dòng)此類型同位素電池走向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的道路上了更進(jìn)一步。