β輻伏電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)研

楊毓樞，郭翔博，王 旭，陳桎遠(yuǎn)，劉吉珍

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第一研究所，成都 610005）

0 引言

β 輻伏電池是應(yīng)用β 輻射伏特效應(yīng)[1,2]原理產(chǎn)生電能的核電池，能夠產(chǎn)生μW ～mW 范圍的電功率，體積可縮小至立方毫米級(jí)，壽命可達(dá)五年到幾十年，屏蔽要求極低，而且其功率大小基本不受外界環(huán)境溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場(chǎng)等影響，可以在很大的溫度范圍和惡劣的環(huán)境中正常工作。主要用于在深海、深空及極地等極端環(huán)境中關(guān)鍵微型用電器件如MEMS 提供獨(dú)立電源，保證其在主電源失電的情況下依然可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

β 輻伏電池在科研探索等領(lǐng)域有極其廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外技術(shù)相對(duì)成熟，美國(guó)Citylabs 實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)布了世界上首個(gè)商用氚輻伏電池NanoTritium；國(guó)內(nèi)有很多科研院所和高校均在進(jìn)行研究，但都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，β 輻伏電池研究目前須在以下幾方面進(jìn)行突破：壽命、轉(zhuǎn)化效率、總功率、功率密度、制作工藝難度和成本。其中，轉(zhuǎn)化效率、功率密度和制作工藝難度與電池本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接相關(guān)。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外β輻伏電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分析了各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于拓寬設(shè)計(jì)思路，對(duì)今后β 輻伏電池的設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

1 工作原理

β 輻伏電池主要由三部分組成：放射源、換能器和電極。其中，放射源的衰變能是核電池能量的來(lái)源，選擇合適能量和半衰期的放射源可確保設(shè)計(jì)壽命內(nèi)（五年以上）可靠的能量源；換能器為有內(nèi)建電場(chǎng)（PN 結(jié)、PiN 結(jié)或肖特基結(jié)）的半導(dǎo)體器件，用于衰變能到電能的轉(zhuǎn)換；電極用于電能的引出。其工作原理為：第一步，β 粒子在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對(duì)；第二步，電子空穴對(duì)被半導(dǎo)體內(nèi)建電場(chǎng)分離；第三步，電子和空穴分別被兩端電極收集[3]。將半導(dǎo)體內(nèi)部?jī)?nèi)建電場(chǎng)的區(qū)域（耗盡層）及其附近1 個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的空間定義為“有效區(qū)域”，電子空穴對(duì)在該范圍內(nèi)產(chǎn)生才有可能被分離，若產(chǎn)生位置在該空間外，則會(huì)復(fù)合，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于?射線在半導(dǎo)體內(nèi)部μm 級(jí)的穿透能力及整流結(jié)μm 級(jí)的厚度[4]，因而β 輻伏電池最小結(jié)構(gòu)單元為緊貼在一起的兩層薄膜。

β 輻伏電池的輸出電功率P 的計(jì)算公式如下：

式（1）中，I——放射源功率面密度，μW/cm2。

η——轉(zhuǎn)化效率。

A——有效貼合的薄膜狀內(nèi)建電場(chǎng)及放射源的面積，cm2。

P 越大，β 輻伏電池的應(yīng)用范圍越廣。由于I 和η 存在上限，提升難度大且提升空間有限，而A 可以理論上無(wú)限制地增大，故提高P 最有效的方式就是增大A。

功率密度也是核電池的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，可通過(guò)提高體積利用率Vu 來(lái)增大功率密度。體積利用率Vu 用來(lái)表征放射源和換能器的有效區(qū)域體積與核電池總體積之比，公式如下：

式（2）中，ts——襯底厚度； tc——有效區(qū)域厚度。

從公式（2）中可以看出：提高體積利用率的途徑是減薄襯底的厚度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 削薄襯底型電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of thin substrate battery structure

圖2 切槽型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of grooved structure

β 輻伏電池由多個(gè)核電池單元堆疊而成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電池單元結(jié)構(gòu)按照放射源和換能器的相對(duì)位置關(guān)系可以分為兩大類：分體式和一體式。分體式是指換能器和放射源獨(dú)立制作，空間上不重合；一體式是指放射源以原子或微小顆粒的形式彌散在換能器中，在空間上重合；整體結(jié)構(gòu)是指多個(gè)電池單元的堆疊方式。

2.1 電池單元分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分體式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是β 射線能量的利用率低，但對(duì)換能器和放射源材料選擇的限制少，選擇范圍擴(kuò)大。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中放射源有兩種形式：?jiǎn)为?dú)制作和電鍍?cè)诎雽?dǎo)體表面。

2.1.1 削薄襯底型電池結(jié)構(gòu)

專利[5]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，在N 型SiC 襯底正面制作N-外延層（19μm）、P+外延層（250nm）和歐姆接觸的電極，在背部削薄SiC 襯底（50μm）后制作電極，最后在正面沉積63Ni 源。

圖3 TiO2納米管陣列表面和橫截面的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM Photographs of the surface and cross section of TiO2 nanotube arrays

圖4 TiO2納米管同位素電池結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of TiO2 nanotube isotope battery

該方案是目前比較常見(jiàn)的一個(gè)方案，優(yōu)點(diǎn)是整體為一個(gè)平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度可達(dá)到較高的水平，缺點(diǎn)是β 射線利用率不高，削薄SiC 襯底技術(shù)水平要求高且導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的嚴(yán)重浪費(fèi)。

2.1.2 切槽型結(jié)構(gòu)

專利[6]對(duì)削薄襯底型電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在換能器表面制作了多條切槽，深度為內(nèi)建電場(chǎng)的厚度，寬度與放射源的厚度相同，并在切槽中填充了放射源，如圖2 所示。

該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是增大了核電池的功率密度，缺點(diǎn)是增加了工藝流程和難度，整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

2.1.3 納米管結(jié)構(gòu)

專利[7]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案在底部電極和頂部電極之間制備半導(dǎo)體二氧化鈦納米管陣列薄膜[8,9]，然后在二氧化鈦納米管里沉積放射源，最后利用磁控濺射技術(shù)[10]在納米管陣列薄膜表面制備金電極層，如圖3 和圖4所示。

該方案中的半導(dǎo)體為3D 結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是納米管具有高的比表面積，可極大地提高輻射源與半導(dǎo)體材料的接觸面積，從而提高電池能量轉(zhuǎn)換效率（大約20%）和輸出功率。缺點(diǎn)是納米管內(nèi)放射源沉積技術(shù)水平要求極高。

圖5 被拉長(zhǎng)顯示的雙向單元器件Fig.5 Bidirectional cell device with elongated display

圖6 金剛石慢化層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of diamond moderating layer

2.1.4 雙向三PN結(jié)堆疊型結(jié)構(gòu)

專利[11]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，如圖5 所示，放射源為147Pm 箔，每一面均有一個(gè)三PN 結(jié)的GaAs 換能器（直徑0.4cm，厚度120μm）。多PN 結(jié)技術(shù)廣泛應(yīng)用于光伏電池，用于吸收不同波長(zhǎng)的光線，效果相當(dāng)于多個(gè)換能器串聯(lián)。該設(shè)計(jì)的功率密度可達(dá)到5mW/cm3。圖5 為器件被拉長(zhǎng)的原理圖，實(shí)際器件很薄。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是多PN 結(jié)相當(dāng)于增大了換能器內(nèi)部的有效體積，提高了電子空穴的收集效率，并且三明治結(jié)構(gòu)顯著提高了β 射線的利用率。

2.1.5 金剛石慢化層結(jié)構(gòu)

專利[12]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案在放射源和半導(dǎo)體P/N 結(jié)之間放置金剛石慢化層，金剛石慢化層將高能β 粒子慢化為低能β 粒子。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)PN 結(jié)免受高能β 粒子轟擊，提高電池的使用壽命。由于金剛石慢化層可以降低β 粒子能量，因而放射源選擇面更廣。缺點(diǎn)是金剛石慢化層制作難度極大并且會(huì)增加電池的體積，從而增加體電阻和漏電流的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 35S輻伏電池結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of 35S photovoltaic battery

2.2 核電池單元一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一體式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是β 射線能量的利用率高，但對(duì)換能器和放射源材料選擇的限制多，選擇范圍小。

2.2.1 放射源和換能器均勻混合結(jié)構(gòu)

專利[13]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案使用35S（純?chǔ)潞怂?，半衰期?7.4 天，β 平均能量為48.76keV）作為放射源，Se 作為半導(dǎo)體材料，P 等元素作為摻雜元素。將這3 種材料按一定比例混合在一起并加熱到275℃左右，使各成分充分混合均勻然后冷卻，與微小空腔內(nèi)的兩電極分別形成整流接觸和歐姆接觸。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是β 射線能量的利用率高，核電池的轉(zhuǎn)換效率高，制作過(guò)程簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是放射源的選擇增加了限制條件，如要與半導(dǎo)體材料化學(xué)兼容，而且35S 由于半衰期太短，不適合做核電池，目前暫未找到可替代的理想核素。

2.2.2 換能器兼放射源結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是特定的同位素既作為換能器的組成元素形成耗盡層，又作為放射源發(fā)射β 粒子，實(shí)現(xiàn)真正的一體化，是很理想的結(jié)構(gòu)形式。專利[14]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案使用32Si（純?chǔ)?核素，半衰期為153 年，β 平均能量為69.55keV）制作PN 結(jié)的耗盡層，如圖8 所示。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是最大限度地利用了β 射線能量，所有射線均被用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。缺點(diǎn)是同位素選擇限制條件太苛刻，目前只有32S 相對(duì)合適。但32S 存在如下缺點(diǎn)：一是半衰期過(guò)長(zhǎng)，功率密度過(guò)低；二是β 射線能量偏高 ，易導(dǎo)致材料輻照損傷；三是32Si 衰變后的子體為32P(純?chǔ)潞怂?，半衰期?4.27 天，β 平均能量為695keV)，能量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致材料輻照損傷，32P 衰變后的子體為32S（穩(wěn)定核素），32S 替換32Si 的位置后有可能導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)損壞。

圖8 32Si同位素P/N型電池結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of 32Si isotope P/N type battery

2.3 核電池整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核電池整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了在單位體積內(nèi)放入更多的核電池單元，增大公式（1）中的A，從而提高功率密度。

2.3.1 盒狀?yuàn)A層堆疊結(jié)構(gòu)

專利[15]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案中電池的正負(fù)極放置在盒子的上表面，放射源、金屬觸點(diǎn)和絕緣材料集成在一片圓形器件上，SiC 半導(dǎo)體放置在兩片器件中形成夾層，每一個(gè)夾層形成一個(gè)換能器，夾層之間相互堆疊組成串并聯(lián)電池盒結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是電池盒結(jié)構(gòu)體積小，半導(dǎo)體和放射源接觸表面積大，功率密度高，易于設(shè)計(jì)封裝組合，可通過(guò)串并聯(lián)電路提高輸出功率；缺點(diǎn)是器件和觸點(diǎn)較多，導(dǎo)致體電阻大，工藝要求高，操作有一定難度。

2.3.2 半導(dǎo)體三維表面結(jié)構(gòu)

專利[16]中介紹了一種設(shè)計(jì)方案，該方案在半導(dǎo)體襯底表面制作各種三維結(jié)構(gòu)如溝槽、倒金字塔等以增加表面積，再在該結(jié)構(gòu)表面上制作整流結(jié)和電極，最后在表面沉積放射源。尺寸由放射源自吸收厚度和β 射線在半導(dǎo)體內(nèi)的穿透厚度決定。通過(guò)在0.5mm 厚的晶圓上蝕刻高深寬比的三維結(jié)構(gòu)，表面積可增加超過(guò)500 倍，功率密度可增加相應(yīng)倍數(shù)，如圖10 和圖11 所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是功率密度提升了2 ～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，缺點(diǎn)是三維結(jié)構(gòu)制作過(guò)程復(fù)雜，電鍍?cè)醇夹g(shù)水平要求高。

3 調(diào)研結(jié)論與建議

本文通過(guò)調(diào)研得到了多種β 輻伏電池單元及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，主要結(jié)論及建議如下：

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了核電池整體性能、加工工藝難度、生產(chǎn)成本等方面，必須慎重考慮。

圖9 多層換能器堆疊示意圖Fig.9 Multilayer transducer stacking diagram

圖10 半導(dǎo)體三維表面局部視圖Fig.10 Partial view of semiconductor 3D surface

圖11 半導(dǎo)體三維表面整體視圖Fig.11 Overall view of semiconductor 3D surface

2）放射源與半導(dǎo)體一體式的設(shè)計(jì)方案可顯著增加β射線能量的利用率，但是對(duì)放射源核素和半導(dǎo)體材料的選擇增加了一些相互限制的條件，進(jìn)一步縮小了選擇范圍；分體式的設(shè)計(jì)方案雖然β 射線能量利用率有所降低，但是放射源核素和半導(dǎo)體材料的選擇范圍更廣。

3）電池的功率密度越大，應(yīng)用范圍越廣。因此，β輻伏電池的重要研究方向?yàn)樘岣唧w積利用率和大規(guī)模地對(duì)核電池單元進(jìn)行串并聯(lián)。

4） 對(duì)于能量較高的β 放射源，可采用金剛石或其它減速機(jī)構(gòu)去除β 射線的高能部分，類似于中子慢化，這樣可降低對(duì)半導(dǎo)體材料耐輻照性能的要求，在損失部分效率的情況下降低工藝難度；對(duì)于平面型換能器，研制薄膜源形成三明治形式的結(jié)構(gòu)，可使效率提高1 倍。