基于外延硅基和浅结技术的新型核电池性能机理及其稳定性研究

As one optional type of MEMS power sources, betavoltaic batteries have great value to research and developing potentiality due to their special advantages. On the basis of the previous research, this project proposes a new improved program about the epitaxial silicon and shallow junction structure of the 63Ni-Si energy conversion unit, which has potential of being applied to practical use. A micro-nano-scale fine structure model of the battery energy conversion unit will be established with the theory. By using the Condensed-history Algorithm and the First Born Approximation method in the Monte Carlo method, the energy deposition behaviour of low-energy beta particles in silicon materials will be simulated accurately to research the influence law and the physical mechanisms of the physical parameters on the output performance of batteries. Besides, by the experimental methods, the effect of the epitaxial layer thickness and doping concentration on the property of batteries will be studyed, and the ideal depth and doping concentration of the shallow junction will be obtained by discussing the energy spectral response of the transducer unit for β particles. Improved battery prototypes, which are fabricated, will be prepared as test objects to carry out the equivalent long-running experiment. The service life and the performance stability and reliability of the battery will be studied by testing the performance degradation behavior in the equivalent space environment. The research work of this project will lie the technological foundation for the practical applications of this type of nuclear batteries.

作为微机电系统动力源的备选类型之一，β辐射伏特效应核电池因其特殊优势而具有较高研究价值和发展潜力。本项目在已有研究基础上，针对具有可实用潜力的Ni-63/单晶Si电池的换能单元，提出基于外延硅基和浅结技术的改进新方案。建立微纳米尺度的电池换能单元精细结构模型，采用蒙特卡罗算法中的历史凝聚法以及一阶波恩近似法，精确模拟β粒子与Si材料的径迹结构能量沉积行为，建立核电池各物理参量与电池性能的理论关系。从实验和理论两方面入手，研究外延层厚度、掺杂浓度对改善电池性能、降低内阻的作用机理；探讨浅结对提高换能单元对β粒子能谱响应的作用效应，获得浅结的理想深度和掺杂浓度。以制备出的改进型电池样品为测试对象，进行等效长期运行实验，研究电池在长寿命工作期内的性能退化行为，评估其使用寿命；测试电池在等效空间环境下的性能稳定性和可靠性，揭示环境因素对电池性能的影响规律，为此类型核电池的实际应用提供技术评估。

β辐射伏特效应核电池具有寿命长、能量密度高等特点而被视为MEMS微能源的有效解决方案之一。本项目针对基于外延硅基和浅结技术的新型核电池，从转化效率极限、结构优化设计、加工制备、性能测试以及环境因素影响等方面开展了一系列研究。主要的研究内容及成果如下：.1）理论研究了同位素源不同条件下核电池的转化效率极限。得到了63Ni源表面出射活度密度和出射粒子平均能量随着源厚度的变化规律，揭示了以往研究结果中能量转化效率高估的原因。.2）采用MCNP5建立了基于外延Si和63Ni的核电池微纳尺度结构模型，推导出了辐生电流密度的表达式，对同位素源厚度以及换能单元外延层厚度、掺杂浓度、结深等结构参数进行了优化设计。研究结果表明：基于P型衬底的电池输出性能优于基于N型衬底的电池；对于P型衬底的核电池，结深越浅，电池最优化输出性能越好。.3）采用微纳加工工艺，制备出单层和夹层结构外延硅基、浅结硅基和深结硅基核电池样品若干。讨论了保护环、沟槽宽度、电极形状、结深等表面结构参数以及串并联连接方式对核电池输出性能的影响；测试了不同表面出射活度密度63Ni辐照下电池的输出性能。实验结果表明：增加保护环对提升电池输出性能影响不大，但采用宽沟槽结构和方形电极设计有助于提升电池输出性能；浅结硅基核电池的短路电流密度Jsc高于深结核电池。.4）研究了不同63Ni源和空气间距条件下真空度对核电池输出性能的影响规律，并进行了实验验证与理论修正。研究结果表明：随着真空度提高，换能单元中的沉积能与核电池的输出性能显著提升，1.0×102 Pa时，两者基本达到最大值。.5）讨论了单层和夹层结构核电池的温度特性；实验探索了高低温循环次数对核电池输出性能的影响规律，实验研究了在高能电子束辐照下电池输出性能的变化。研究结果表明：外延硅基和深结硅基核电池的Voc和Pmax在低温段呈线性下降，在高温段呈指数下降；由于材料的热膨胀系数及残余热应力等因素的存在，电池输出性能随着温度交变次数增加逐渐下降，但逐渐趋于稳定。.本项目的研究工作，可为β辐射伏特效应核电池的器件设计、性能改进以及稳定性研究提供重要理论依据和技术支持，在推动此类型核电池走向实际应用领域的道路上了更进一步。