由中國發(fā)明協(xié)會指導、澳門創(chuàng)新發(fā)明協(xié)會主辦的2023年度第十一屆澳門國際創(chuàng)新發(fā)明展在澳門會展中心成功舉辦。紅外薄膜與晶體團隊的“高性能金剛石同位素電池”項目獲得金獎。
金剛石同位素電池是利用金剛石晶體構筑的半導體換能結,將放射性同位素中的射線能量吸收并轉換為電能輸出的特種供電裝置。由于放射性同位素的半衰期很長,故同位素電池的理論壽命可達幾年到幾百年甚至上千年。金剛石禁帶寬度達5.5 eV,是超寬禁帶半導體材料, 具有輻射換能效率高、抗輻射性強、耐高溫等優(yōu)異的特性,是制作同位素電池的*佳半導體材料。金剛石同位素電池利用半導體工藝制備,易于與芯片集成,相比于太陽能電池來說,其不受光照影響,可以在遠離太陽的深空、無光照的深海、深林等環(huán)境中穩(wěn)定輸出能量。金剛石同位素電池改變了傳統(tǒng)電池壽命的限制,是變革性的新型電池技術。
早在上世紀五十年代,美國無線電公司便開始利用硅、鍺等半導體材料制作同位素電池[1]。然而限制于半導體材料本身的性能。同位素電池產品未能廣泛使用。金剛石半導體材料技術的成熟為同位素電池發(fā)展帶來了新的契機[2][3]。哈工大紅外薄膜與晶體團隊在金剛石材料與器件方面進行多年攻關,針對于同位素電池用高品質金剛石半導體材料的需求,突破了電子級單晶金剛石合成加工工藝,獲得了高品質超薄單晶金剛石襯底。針對于金剛石半導體界面態(tài)缺陷、勢壘釘扎的問題,提出了氧化物界面態(tài)鈍化技術,制備了高質量金剛石換能結器件,改善了金剛石同位素電池的性能。紅外薄膜與晶體鉆石核電池團隊獲得第十八屆“挑戰(zhàn)杯”黑龍江省大學生課外學術科技作品競賽一等獎。
團隊受邀在《人工晶體學報》超硬材料六十周年?饷姘l(fā)表了金剛石同位素電池的國內外研究進展[4],針對n型金剛石摻雜難的困境,提出了金剛石異質換能結的方案,可以有效提升器件的開路電壓與效率。為了進一步改善同位素電池系統(tǒng)的輸出功率,團隊提出了超級電容器結合換能結器件的方案,可以實現(xiàn)同位素電池持續(xù)穩(wěn)定供電與瞬時高功率輸出,使同位素電池在心臟起搏器、腦起搏器、微型機器人、飛機黑匣子電源等場合的應用成為可能。團隊研發(fā)了核電池樣機,短路電流達2 μA,并集成了超級電容器,實現(xiàn)了計算器穩(wěn)定供電。
同位素電池具有重要的戰(zhàn)略價值及廣闊的市場前景,歐、美、日、俄等團隊相繼開展相關研究。哈工大團隊形成了金剛石同位素電池的“材料-加工-器件-集成”研發(fā)鏈條,利用自主知識產權核心技術“異質界面調控”實現(xiàn)了實際輻射源照射下金剛石同位素電池單節(jié)開路電壓的*高值(~2 V)。哈工大團隊將繼續(xù)圍繞金剛石同位素電池器件集成及電源系統(tǒng)設計開展深入研究,突破電池產品化核心工藝,推進金剛石電池從原理樣機到成熟產品的轉變,助力我國深空探測、先進醫(yī)療等產業(yè)的發(fā)展。
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