研究进展|金刚石辐射伏特效应同位素电池

从材料的角度来看，，，宽禁带半导体材料具有更高的能量转换效率，，，尤其是金刚石，，是制作高能量转换效率的器件的最佳材料。。α同位素放射源相比于β放射源来说，，，
，具有较高的功率密度。。。针对同位素电池的各项关键参数，，，，进行了细致分析，，以便于针对性提升各方面性能指标，，
，，从而达到整体性能优化。
。针对目前金刚石同位素电池研究发展的现状进行了全面的分析，，，对比了不同结构（肖特基与pn）换能器件之间的性能差异，，并总结了下一步需要解决的问题，，，提出了利用金刚石异质pn结实现高性能同位素电池器件的新思路。。。。

辐射伏特效应同位素电池是利用半导体二极管的内建电场将辐射在半导体材料中激发的电子空穴对分离，，，形成电流并向外输出
。。。半导体材料的性能对器件的输出特性有很大的影响。。。  

 表1   适用于同位素电池的常见半导体参数汇总

从表1中可以看出
，
，，从左到右，，，常见的半导体的禁带宽度逐渐增大
，，
，金刚石为5.5 eV。
。随着禁带宽度的增加，
，，，半导体材料的特性也发生了变化。。
。宽禁带半导体因其禁带宽度，，，
，耐辐射的特性更适合应用于高温、、、高辐射、、、
、高电压等极端环境下
。。随着禁带宽度增加，，半导体的临界位移能增加，
，
，金刚石的耐辐射特性最好。。。。平均电离能是表征材料的在高能粒子作用下产生一个电子空穴对所要消耗掉的平均能量。。Claude Klein结合经验指出，
，，，产生一个能量为Eg的电子空穴对，，同时会有1.8Eg的声学声子损失和0.5 eV的光学声子损失。
。。因此，，平均电离能可以用(2.5Eg+0.5 eV)来估算
。。实验所得的数据与此数值略有偏差，，
，，消耗掉一个平均电离能只产生了能量为Eg的载流子，，因此，，在产生载流子的过程中也存在一个转换效率，，
，可以用Eg/W来表示。。
。

图1　 (a)电子空穴对产生效率随半导体禁带宽度变化曲线
；(b)金属与p型金刚石肖特基结的辐射伏特效应原理示意图

从图1(a)可以看到，，，，金刚石具有最大的能量转换效率。。。。再综合考虑到金刚石优异的抗辐射特性
，，
，
，可以认为金刚石是最适合制作同位素电池的半导体材料。。。图1（b）展示了肖特基换能结在辐射粒子照射下的辐射伏特效应。
。空间电荷区中被辐射激发的电子空穴对在内建电场的作用下分离，
，输运到两侧电极形成电流。。

图2　 镅-241辐射出的α粒子入射金刚石后的相互作用过程模拟结果

从图2(a)中可以看出α粒子在与金刚石作用失去能量后，，，均沉积在了距离金刚石表面13.7 mm左右
。
。。。而图2(b)中为α粒子能量损失在粒子入射路径上的分布
。。。。红色区域的积分面积应该接近并且略小于5.49 MeV。。。。

图3　 (a)辐射伏特效应同位素电池等效电路图；(b)辐射伏特效应同位素电池电流电压输出曲线示意图

图3（a）辐射产生的电流有一部分由于器件的暗电流损失掉，，，另一部分损失在器件的并联电阻上。
。
。由于器件内阻、、
、欧姆接触电阻等，，产生的电压会被串联电阻分担，，使得开路电压降低。。。。图3（b）则是展示了辐射伏特效应同位素电池的电流电压输出曲线的示意图
。
。由于填充因子总是小于1，，，，最大输出功率点对应的电流值与电压值小于短路电流与开路电压。。。

 2015年，，
，俄罗斯超硬与新型碳材料技术研究所(TISNCM)的Bormashov等利用硼掺杂的高温高压金刚石作为衬底
，
，，，利用微波等离子体化学气相沉积方法在金刚石表面外延一层10 mm的本征层
。。。。他们共制作了130个这样的金刚石换能结器件
，，电池的整体面积为1500 mm2。。日本国立材料研究所的Shimaoka等制作了p+p-n-n+的金刚石pn结型换能结器件
，
，并用电子束激发电流(EBIC)方法对其进行了测试
，，，，如图5(b)所示。。
。他们获得4.26 V的开路电压，
，高达24%的能量转换效率，
，，其结果验证了金刚石作为高开路电压、
、、、高能量转换效率肖特基同位素电池的潜力。
。然而这项工作并没有跳脱大面积的高质量金刚石pn结难以获得的困境
，
，他们所制得的金刚石pn结面积仅为0.0314 mm2，，，且测试所用的是面积更为集中的扫描电镜中的电子束。。。。

图4　 (a)金刚石肖特基同位素电池换能结示意图及其暗电流特性；(b)金刚石pn结型同位素电池结构及测试示意图

表2   一些文献的金刚石同位素电池参数

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