高输出功率109带叠加能量转换单元的Cd-X射线伏打CTM蓄电池
发布时间：2026-07-21 20:36:35 点击： 次
X射线伏打电池被提出作为满足快速发展深空探测电力需求的有前景解决方案。在这项工作中，我们展示了高比功率和高能量109带有叠加能量转换单元的镉X射线伏打电池。该109选择镉源因其高输出功率，并提出叠加砷化镓能量转换单元以拓宽有效载流子收集区，显著提升载流子收集效率和输出功率。最优柔性109镉X射线伏打电池的输出功率密度为0.56 mW/cm2，比传统伏特伏特高出2–3个数量级。十层砷化镓叠叠的能量转换效率为9.63%，是单一砷化铝转化单元的2.66倍。该电池比能高达66816.20 Wh/kg，比功率5.90 W/kg，与RTG相当，展现出在航天应用中的潜在商业价值。这项工作揭示了辉煌的未来109镉X射线伏打电池，同时也为高输出同位素电池提供指导。
同位素电池以其长寿命、高比能密度和对环境干扰的强抗性著称，作为深空探测航天器的电源，尤其是在太阳能电池依赖变得不切实际的领域，取得了辉煌的成功[[1]， [2]， [3]]。例如，旅行者1号探测器自1977年发射以来，已经使用同位素电池供电47年，创造了人类历史的新里程碑[4,5]。近年来，快速发展的智能且高度集成的MEMS技术被广泛应用于航空航天系统，并为同位素电池带来了新的挑战，其尺寸极小，尺寸仅数毫米，输出功率密度从1到100 μW/cm不等2[3,6,7].
辐射伏打电池可以直接将辐射能转化为电能，成为MEMS技术电力供应的有前景解决方案。辐射伏打电池的器件结构简单，由放射性源（α、β、γ和X射线）和能量转换单元组成。经过充分研究的辐射伏打电池通常采用平面结构，采用低能耗β源，如63Ni 和3H以避免对能量转换单元造成的辐射损害[6,8]。目前最先进的贝塔伏电池由Widetronix公司开发，由4H-SiC平面p-n二极管和TiH组成X箔片，输出功率密度为157.73 nW/cm。2[9]。对于大多数MEMS来说，这种功率密度相对较低（1–100 μW/cm）2），这归因于平面β源的低输出功率（<1 μW/cm）2）由自我吸收效应引起的。Gao等人报告了一个以4H-SiC作为辐射-硬能转换单元的α-伏打电池，实现了最大输出功率密度16.78 nW/cm。2[10]。然而，α-伏打电池的降解问题仍未解决，使用高能伽马射线（大于100 keV）的设备与放射源相同[[11]， [12]， [13]]。我们团队揭示了X射线源的巨大优势，能够轻松将源的输出功率提升至100 μW/cm2由于自吸收效应的减少，使用低能量X射线源[14]。
由于X射线伏打子是一个新兴概念，关于它的研究并不多。布特拉的团队展示了第一个55采用Fe X射线伏打电池，采用GaAs和AlInP单元，输出功率低于1 μW/cm2.作者主要关注器件制造，未对X射线伏打电的潜在性能进行系统性分析[11,12]。我们的团队构建了一个关于平面X射线伏打电池的综合器件模型，经过实验验证，这些电池在器件设计和电池性能预测方面具有有效性[13]。随后，我们的团队成功展示了一款基于SiC的X射线伏打电池，其输出功率高达1.69 μW/cm，令人印象深刻2以及8.70%的能量转换效率，揭示了X射线伏打电池被低估的潜力。我们进一步研究了半导体的固有特性及转换单元结构对55铁-X-射线-伏打电池。我们的结果表明，最优条件55铁-X射线伏打电池的输出功率可达16.50 μW/cm。2以及14.14%的能量转换效率，能够为相机配备蓝牙通信系统[15]。高能的饱和输出功率109镉C的X射线源（23.8 keV）可达到1×104μW/cm2，比 高出两个数量级55铁源（5.9 keV），展示了实现高输出辐射伏打电池的巨大潜力。
在这项工作中，我们展示了109用于高输出功率同位素电池的镉 X射线源，并解决了109CD-X光电池。提出了一种堆叠能量转换单元结构，以解决X射线超长穿透深度（>1毫米）之间的不匹配问题109Cd以及能量转换单元（数十微米微米）中的窄载流子收集区。堆叠结构设计的原则，包括层厚、层数以及层间电气配置，均有详细讨论。最佳电池由十层砷化镓叠放能量转换单元并联连接，并用50微米109Cd源层，输出功率为0.56 mW/cm2，即 35 乘以55铁X射线伏打电池。这种柔韧性具有比的功率和能量109镉X射线伏打电池的功率为5.90瓦/公斤，功率为66816.2 Wh/kg，显示出深空探索的巨大潜力。
简介
辐射伏打电池可以直接将辐射能转化为电能，成为MEMS技术电力供应的有前景解决方案。辐射伏打电池的器件结构简单，由放射性源（α、β、γ和X射线）和能量转换单元组成。经过充分研究的辐射伏打电池通常采用平面结构，采用低能耗β源，如63Ni 和3H以避免对能量转换单元造成的辐射损害[6,8]。目前最先进的贝塔伏电池由Widetronix公司开发，由4H-SiC平面p-n二极管和TiH组成X箔片，输出功率密度为157.73 nW/cm。2[9]。对于大多数MEMS来说，这种功率密度相对较低（1–100 μW/cm）2），这归因于平面β源的低输出功率（<1 μW/cm）2）由自我吸收效应引起的。Gao等人报告了一个以4H-SiC作为辐射-硬能转换单元的α-伏打电池，实现了最大输出功率密度16.78 nW/cm。2[10]。然而，α-伏打电池的降解问题仍未解决，使用高能伽马射线（大于100 keV）的设备与放射源相同[[11]， [12]， [13]]。我们团队揭示了X射线源的巨大优势，能够轻松将源的输出功率提升至100 μW/cm2由于自吸收效应的减少，使用低能量X射线源[14]。
由于X射线伏打子是一个新兴概念，关于它的研究并不多。布特拉的团队展示了第一个55采用Fe X射线伏打电池，采用GaAs和AlInP单元，输出功率低于1 μW/cm2.作者主要关注器件制造，未对X射线伏打电的潜在性能进行系统性分析[11,12]。我们的团队构建了一个关于平面X射线伏打电池的综合器件模型，经过实验验证，这些电池在器件设计和电池性能预测方面具有有效性[13]。随后，我们的团队成功展示了一款基于SiC的X射线伏打电池，其输出功率高达1.69 μW/cm，令人印象深刻2以及8.70%的能量转换效率，揭示了X射线伏打电池被低估的潜力。我们进一步研究了半导体的固有特性及转换单元结构对55铁-X-射线-伏打电池。我们的结果表明，最优条件55铁-X射线伏打电池的输出功率可达16.50 μW/cm。2以及14.14%的能量转换效率，能够为相机配备蓝牙通信系统[15]。高能的饱和输出功率109镉C的X射线源（23.8 keV）可达到1×104μW/cm2，比 高出两个数量级55铁源（5.9 keV），展示了实现高输出辐射伏打电池的巨大潜力。
在这项工作中，我们展示了109用于高输出功率同位素电池的镉 X射线源，并解决了109CD-X光电池。提出了一种堆叠能量转换单元结构，以解决X射线超长穿透深度（>1毫米）之间的不匹配问题109Cd以及能量转换单元（数十微米微米）中的窄载流子收集区。堆叠结构设计的原则，包括层厚、层数以及层间电气配置，均有详细讨论。最佳电池由十层砷化镓叠放能量转换单元并联连接，并用50微米109Cd源层，输出功率为0.56 mW/cm2，即 35 乘以55铁X射线伏打电池。这种柔韧性具有比的功率和能量109镉X射线伏打电池的功率为5.90瓦/公斤，功率为66816.2 Wh/kg，显示出深空探索的巨大潜力。