β輻伏電池結構設計調研

楊毓樞，郭翔博，王 旭，陳桎遠，劉吉珍

（中國核動力研究設計院 第一研究所，成都 610005）

0 引言

β 輻伏電池是應用β 輻射伏特效應[1,2]原理產生電能的核電池，能夠產生μW ～mW 范圍的電功率，體積可縮小至立方毫米級，壽命可達五年到幾十年，屏蔽要求極低，而且其功率大小基本不受外界環境溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響，可以在很大的溫度范圍和惡劣的環境中正常工作。主要用于在深海、深空及極地等極端環境中關鍵微型用電器件如MEMS 提供獨立電源，保證其在主電源失電的情況下依然可以長時間穩定工作。

β 輻伏電池在科研探索等領域有極其廣闊的應用前景。國外技術相對成熟，美國Citylabs 實驗已經發布了世界上首個商用氚輻伏電池NanoTritium；國內有很多科研院所和高校均在進行研究，但都處于實驗室研究階段。

為實現工程應用，β 輻伏電池研究目前須在以下幾方面進行突破：壽命、轉化效率、總功率、功率密度、制作工藝難度和成本。其中，轉化效率、功率密度和制作工藝難度與電池本身結構設計直接相關。本文調研了國內外β輻伏電池的結構設計方案，分析了各種設計方案的優缺點，有利于拓寬設計思路，對今后β 輻伏電池的設計工作具有重要的指導價值。

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源，選擇合適能量和半衰期的放射源可確保設計壽命內（五年以上）可靠的能量源；換能器為有內建電場（PN 結、PiN 結或肖特基結）的半導體器件，用于衰變能到電能的轉換；電極用于電能的引出。其工作原理為：第一步，β 粒子在半導體內部產生電子空穴對；第二步，電子空穴對被半導體內建電場分離；第三步，電子和空穴分別被兩端電極收集[3]。將半導體內部內建電場的區域（耗盡層）及其附近1 個少子擴散長度范圍內的空間定義為“有效區域”，電子空穴對在該范圍內產生才有可能被分離，若產生位置在該空間外，則會復合，轉變為熱能。由于β 射線在半導體內部μm 級的穿透能力及整流結μm 級的厚度[4]，因而β 輻伏電池最小結構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 的計算公式如下：

式（1）中，I——放射源功率面密度，μW/cm2。

η——轉化效率。

A——有效貼合的薄膜狀內建電場及放射源的面積，cm2。

P 越大，β 輻伏電池的應用范圍越廣。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重要技術指標，可通過提高體積利用率Vu 來增大功率密度。體積利用率Vu 用來表征放射源和換能器的有效區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 結構設計

圖1 削薄襯底型電池結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of thin substrate battery structure

圖2 切槽型結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of grooved structure

β 輻伏電池由多個核電池單元堆疊而成，結構設計可分為單元結構設計和整體結構設計。電池單元結構按照放射源和換能器的相對位置關系可以分為兩大類：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；整體結構是指多個電池單元的堆疊方式。

2.1 電池單元分體式結構設計

分體式結構的缺點是β 射線能量的利用率低，但對換能器和放射源材料選擇的限制少，選擇范圍擴大。這種結構設計中放射源有兩種形式：單獨制作和電鍍在半導體表面。

2.1.1 削薄襯底型電池結構

專利[5]中介紹了一種設計方案，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Fig.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構Fig.4 Structure of TiO2 nanotube isotope battery

該方案是目前比較常見的一個方案，優點是整體為一個平面，結構簡單，功率密度可達到較高的水平，缺點是β 射線利用率不高，削薄SiC 襯底技術水平要求高且導致半導體材料的嚴重浪費。

2.1.2 切槽型結構

專利[6]對削薄襯底型電池結構進行了改進，在換能器表面制作了多條切槽，深度為內建電場的厚度，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。

該設計方案的優點是增大了核電池的功率密度，缺點是增加了工藝流程和難度，整體結構更加復雜。

2.1.3 納米管結構

專利[7]中介紹了一種設計方案，該方案在底部電極和頂部電極之間制備半導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[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。

該方案中的半導體為3D 結構，優點是納米管具有高的比表面積，可極大地提高輻射源與半導體材料的接觸面積，從而提高電池能量轉換效率（大約20%）和輸出功率。缺點是納米管內放射源沉積技術水平要求極高。

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

圖6 金剛石慢化層結構示意圖Fig.6 Structure diagram of diamond moderating layer

2.1.4 雙向三PN結堆疊型結構

專利[11]中介紹了一種設計方案，如圖5 所示，放射源為147Pm 箔，每一面均有一個三PN 結的GaAs 換能器（直徑0.4cm，厚度120μm）。多PN 結技術廣泛應用于光伏電池，用于吸收不同波長的光線，效果相當于多個換能器串聯。該設計的功率密度可達到5mW/cm3。圖5 為器件被拉長的原理圖，實際器件很薄。

該結構的優點是多PN 結相當于增大了換能器內部的有效體積，提高了電子空穴的收集效率，并且三明治結構顯著提高了β 射線的利用率。

2.1.5 金剛石慢化層結構

專利[12]中介紹了一種設計方案，該方案在放射源和半導體P/N 結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。

該方案的優點是保護PN 結免受高能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。缺點是金剛石慢化層制作難度極大并且會增加電池的體積，從而增加體電阻和漏電流的風險。

圖7 35S輻伏電池結構圖Fig.7 Structure diagram of 35S photovoltaic battery

2.2 核電池單元一體式結構設計

一體式結構的優點是β 射線能量的利用率高，但對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構

專利[13]中介紹了一種設計方案，該方案使用35S（純β核素，半衰期為87.4 天，β 平均能量為48.76keV）作為放射源，Se 作為半導體材料，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，與微小空腔內的兩電極分別形成整流接觸和歐姆接觸。

該方案的優點是β 射線能量的利用率高，核電池的轉換效率高，制作過程簡單；缺點是放射源的選擇增加了限制條件，如要與半導體材料化學兼容，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 換能器兼放射源結構

該結構的特點是特定的同位素既作為換能器的組成元素形成耗盡層，又作為放射源發射β 粒子，實現真正的一體化，是很理想的結構形式。專利[14]中介紹了一種設計方案，該方案使用32Si（純β 核素，半衰期為153 年，β 平均能量為69.55keV）制作PN 結的耗盡層，如圖8 所示。

該結構的優點是最大限度地利用了β 射線能量，所有射線均被用來產生電子空穴對。缺點是同位素選擇限制條件太苛刻，目前只有32S 相對合適。但32S 存在如下缺點：一是半衰期過長，功率密度過低；二是β 射線能量偏高 ，易導致材料輻照損傷；三是32Si 衰變后的子體為32P(純β核素，半衰期為14.27 天，β 平均能量為695keV)，能量過高，會導致材料輻照損傷，32P 衰變后的子體為32S（穩定核素），32S 替換32Si 的位置后有可能導致半導體結構損壞。

圖8 32Si同位素P/N型電池結構圖Fig.8 Structure diagram of 32Si isotope P/N type battery

2.3 核電池整體結構設計

核電池整體結構設計是為了在單位體積內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 盒狀夾層堆疊結構

專利[15]中介紹了一種設計方案，該方案中電池的正負極放置在盒子的上表面，放射源、金屬觸點和絕緣材料集成在一片圓形器件上，SiC 半導體放置在兩片器件中形成夾層，每一個夾層形成一個換能器，夾層之間相互堆疊組成串并聯電池盒結構，如圖9 所示。

該方案的優點是電池盒結構體積小，半導體和放射源接觸表面積大，功率密度高，易于設計封裝組合，可通過串并聯電路提高輸出功率；缺點是器件和觸點較多，導致體電阻大，工藝要求高，操作有一定難度。

2.3.2 半導體三維表面結構

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

該方案的優點是功率密度提升了2 ～3 個數量級，缺點是三維結構制作過程復雜，電鍍源技術水平要求高。

3 調研結論與建議

本文通過調研得到了多種β 輻伏電池單元及整體結構的設計思路，主要結論及建議如下：

1）結構設計直接決定了核電池整體性能、加工工藝難度、生產成本等方面，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 半導體三維表面局部視圖Fig.10 Partial view of semiconductor 3D surface

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

2）放射源與半導體一體式的設計方案可顯著增加β射線能量的利用率，但是對放射源核素和半導體材料的選擇增加了一些相互限制的條件，進一步縮小了選擇范圍；分體式的設計方案雖然β 射線能量利用率有所降低，但是放射源核素和半導體材料的選擇范圍更廣。

3）電池的功率密度越大，應用范圍越廣。因此，β輻伏電池的重要研究方向為提高體積利用率和大規模地對核電池單元進行串并聯。

4） 對于能量較高的β 放射源，可采用金剛石或其它減速機構去除β 射線的高能部分，類似于中子慢化，這樣可降低對半導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；對于平面型換能器，研制薄膜源形成三明治形式的結構，可使效率提高1 倍。