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科研动态 | 金刚石用于同位素电池研究新进展!

发表时间:2022-06-26 08:00作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

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。


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图1电子空穴对产生效率随半导体禁带宽度变化曲线



从图1可以看出,无论是实验数据还是理论预测的平均电离能计算得到的电子空穴对产生交效率,都随禁带宽度增加而增大。金刚石最大,为44.2%。而目金刚石拥有43 eV的位移能,这是材料抗辐射能力的参数,表明了金刚石具有很好的抗辐射能大们。因此,金刚石材料是作为辐射伏特效应同位素电池器件的最佳选择。


图片2.jpg

图2金刚石肖基特同位素电池换能结示意图及其暗电流特性



研究人员使用辐射源长时间持续照射电池,经历了1011cm-2的镅-241的a粒子照射后,电池性能发生持续退化,他们将电池参数随粒子辐照退化的数据与硅和碳化硅的器件进行了对比,发现金刚石的同位素电池的稳定性更好。因此,下一步可以通过优化电池的结构减少器件性能的退化。研究人员还制作了高质量本征层的金刚石肖特基换能结器件,如图2所示,利用此肖特基换能结构,他们获得了1.06 V的开路电压和1.41%的能量转换效率。随后,他们利用不同活度的放射源照射同一个同位素电池,获得了一系列的电池变化参数。随着活度的增加,电池的开路电压、短路电流都增加,这为高性能的同位素电池器件的设计提供了设计思路。


随着技术的不断发展,金刚石的应用持续开发。化合积电专注金刚石材料的研发与生产已有十余年,核心产品金刚石热沉片、晶圆级金刚石已得到通讯、光伏、半导体激光器、新能源汽车等领域的行业头部客户认可。我们仍将持续科技创新,争当科技进步的驱动者和贡献者,让前沿技术助力相关应用领域腾飞发展。


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