由中國發(fā)明協(xié)會指導(dǎo)、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(tuán)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(gòu)筑的半導(dǎo)體換能結(jié)，將放射性同位素中的射線能量吸收并轉(zhuǎn)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(dá)幾年到幾百年甚至上千年。金剛石禁帶寬度達(dá)5.5 eV，是超寬禁帶半導(dǎo)體材料， 具有輻射換能效率高、抗輻射性強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)異的特性，是制作同位素電池的*佳半導(dǎo)體材料。金剛石同位素電池利用半導(dǎo)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(yuǎn)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(shù)。
早在上世紀(jì)五十年代，美國無線電公司便開始利用硅、鍺等半導(dǎo)體材料制作同位素電池[1]。然而限制于半導(dǎo)體材料本身的性能。同位素電池產(chǎn)品未能廣泛使用。金剛石半導(dǎo)體材料技術(shù)的成熟為同位素電池發(fā)展帶來了新的契機(jī)[2][3]。哈工大紅外薄膜與晶體團(tuán)隊在金剛石材料與器件方面進(jìn)行多年攻關(guān)，針對于同位素電池用高品質(zhì)金剛石半導(dǎo)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(zhì)超薄單晶金剛石襯底。針對于金剛石半導(dǎo)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(shù)，制備了高質(zhì)量金剛石換能結(jié)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(tuán)隊獲得第十八屆“挑戰(zhàn)杯”黑龍江省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎。
團(tuán)隊受邀在《人工晶體學(xué)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(nèi)外研究進(jìn)展[4]，針對n型金剛石摻雜難的困境，提出了金剛石異質(zhì)換能結(jié)的方案，可以有效提升器件的開路電壓與效率。為了進(jìn)一步改善同位素電池系統(tǒng)的輸出功率，團(tuán)隊提出了超級電容器結(jié)合換能結(jié)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(jī)器人、飛機(jī)黑匣子電源等場合的應(yīng)用成為可能。團(tuán)隊研發(fā)了核電池樣機(jī)，短路電流達(dá)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(tuán)隊相繼開展相關(guān)研究。哈工大團(tuán)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(chǎn)權(quán)核心技術(shù)“異質(zhì)界面調(diào)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(tuán)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(shè)計開展深入研究，突破電池產(chǎn)品化核心工藝，推進(jìn)金剛石電池從原理樣機(jī)到成熟產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，助力我國深空探測、先進(jìn)醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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