【摘 要】
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核电池,也称为放射性同位素电池,它是将放射性同位素的衰变能转换成电能的装置。本文则主要针对β辐射伏特效应核电池展开了相应的研究。为了扩大其应用范围,需要提升核电池各项输出性能。本研究选择合适厚度的63Ni放射源,对磷化镓-硅（GaP-Si）异质结、合金-金刚石异质结、载能换能一体化63NiO-Si异质结三种换能结构分别形成的核电池的短路电流密度,开路电压,填充因子,最大输出功率密度以及转换效率进行
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核电池,也称为放射性同位素电池,它是将放射性同位素的衰变能转换成电能的装置。本文则主要针对β辐射伏特效应核电池展开了相应的研究。为了扩大其应用范围,需要提升核电池各项输出性能。本研究选择合适厚度的63Ni放射源,对磷化镓-硅（GaP-Si）异质结、合金-金刚石异质结、载能换能一体化63NiO-Si异质结三种换能结构分别形成的核电池的短路电流密度,开路电压,填充因子,最大输出功率密度以及转换效率进行了理论计算;讨论了掺杂浓度,换能单元厚度,少子扩散长度,扩散系数等参数对电池电学输出性能的影响。主要的计算工作体现在以下三个部分:一、对于GaP-Si异质结β辐射伏特效应核电池,通过MCNP模拟放射源63Ni在GaP和Si中的能量沉积,进而计算得到不同厚度GaP以及不同掺杂浓度下核电池的输出性能。比较结果显示在GaP厚度为0.4μm,硅的掺杂浓度为9.5×1017/cm~3,GaP-Si异质结核电池的最大输出功率密度,转换效率,开路电压以及短路电流密度分别为0.189μW/cm~2,1.83%,0.81 V和0.27μA/cm~2。二、对于合金-金刚石异质结β辐射伏特效应核电池,在MCNP模拟放射源在换能材料中的能量沉积之后,理论计算并比较2198铝锂合金-金刚石异质结核电池和铝-金刚石异质结核电池的电学输出参数,结果显示2198铝锂合金做肖特基金属使核电池的短路电流密度,开路电压,最大输出功率分别提高了约3.63%,24.24%,30.19%。三、对于载能换能一体化63NiO-Si异质结β辐射伏特效应型核电池,用MCNP模拟换能材料自身的能量沉积,基于理论计算结果优化了63NiO-Si异质结的结构,在63NiO的厚度为4μm和硅的掺杂浓度为1×1015/cm~3时,核电池的短路电流密度,开路电压,填充因子,最大输出功率密度分别为1.22μA/cm~2,3.17 V,0.95,3.67μW/cm-2。此外,本研究计算了63Ni/NiO-Si异质结β辐射伏特效应核电池的输出性能。在两种结构的63Ni放射源活度以及NiO的厚度相同情况下,载能换能一体化的新型结构因减少了放射源的自吸收能量损失而使核电池的输出性能有了极大的提升。总体而言,本论文主要是从优化核电池的换能结构出发来提高核电池的输出性能。尝试利用公式计算了GaP-Si异质结核电池输出性能,研究结构参数与掺杂浓度对于电学输出参数的影响,结果体现半导体异质结核电池确实有相较于同质结以及肖特基结所独特的优势;此外,为了提高肖特基型核电池的输出性能,将肖特基金属改为合金以组成新型肖特基结构,将合金利用在核电池中的思想引入研究中,理论计算结果体现合金的应用确实提高了核电池的输出性能;最后为了解决放射源的自吸收效应,载能换能一体化63NiO-Si异质结核电池被提出,充分利用了放射源的能量,极大的提高核电池的输出功率。
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