基于载流子演化的3D P+PNN+多沟槽结构提升Betavoltaic核电池性能

分类： 核科学技术 >> 核动力工程技术 提交时间： 2024-02-01

何厚军 韩运成 王晓彧 刘玉敏 张佳辰 任雷 郑明杰

摘要： 贝塔辐射伏特核电池，利用放射性同位素所释放的贝塔粒子来实现电能转化，被广泛视为一项备受期待的替代能源技术。为满足微机电系统（MEMS）的功率需求，研究人员已提出采用三维（3D）结构作为一种潜在的解决方案。在此背景下，本研究引入了一种全新的3D电池设计，基于63Ni-SiC材料构建了一种P+PNN+多沟槽结构。这一结构的独特之处在于，无需在半导体器件的沟槽内表面外延PN结，以降低漏电流和功率损失。通过蒙特卡洛模拟方法，充分考虑了完全耦合的物理模型，我们成功将电子-空穴对产生率（G(x)）扩展到了3D结构中，使得高效设计和开发具有复杂3D结构的贝塔辐射伏特电池成为可能。研究结果表明，相较于传统的平面电池，我们提出的3D电池在最大输出功率密度方面表现卓越，达到了19.74 W/cm2，相应的短路电流、开路电压和转换效率分别为8.57 A/cm2、2.45 V和4.58%。此外，我们还利用COMSOL Multiphysics软件对载流子的传输和收集特性进行了深入分析，为电池输出功率提升机制提供了深刻见解，并对贝塔辐射伏特电池的理想性能与仿真性能之间的差异进行了阐释。本研究为高输出性能的贝塔辐射伏特核电池的设计与优化提供了前瞻性方法，同时也为未来电池器件制造提供了有价值的参考。

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