β辐伏电池结构设计调研

杨毓枢，郭翔博，王 旭，陈桎远，刘吉珍

（中国核动力研究设计院 第一研究所，成都 610005）

0 引言

β 辐伏电池是应用β 辐射伏特效应[1,2]原理产生电能的核电池，能够产生μW ～mW 范围的电功率，体积可缩小至立方毫米级，寿命可达五年到几十年，屏蔽要求极低，而且其功率大小基本不受外界环境温度、化学反应、压力、电磁场等影响，可以在很大的温度范围和恶劣的环境中正常工作。主要用于在深海、深空及极地等极端环境中关键微型用电器件如MEMS 提供独立电源，保证其在主电源失电的情况下依然可以长时间稳定工作。

β 辐伏电池在科研探索等领域有极其广阔的应用前景。国外技术相对成熟，美国Citylabs 实验已经发布了世界上首个商用氚辐伏电池NanoTritium；国内有很多科研院所和高校均在进行研究，但都处于实验室研究阶段。

为实现工程应用，β 辐伏电池研究目前须在以下几方面进行突破：寿命、转化效率、总功率、功率密度、制作工艺难度和成本。其中，转化效率、功率密度和制作工艺难度与电池本身结构设计直接相关。本文调研了国内外β辐伏电池的结构设计方案，分析了各种设计方案的优缺点，有利于拓宽设计思路，对今后β 辐伏电池的设计工作具有重要的指导价值。

1 工作原理

β 辐伏电池主要由三部分组成：放射源、换能器和电极。其中，放射源的衰变能是核电池能量的来源，选择合适能量和半衰期的放射源可确保设计寿命内（五年以上）可靠的能量源；换能器为有内建电场（PN 结、PiN 结或肖特基结）的半导体器件，用于衰变能到电能的转换；电极用于电能的引出。其工作原理为：第一步，β 粒子在半导体内部产生电子空穴对；第二步，电子空穴对被半导体内建电场分离；第三步，电子和空穴分别被两端电极收集[3]。将半导体内部内建电场的区域（耗尽层）及其附近1 个少子扩散长度范围内的空间定义为“有效区域”，电子空穴对在该范围内产生才有可能被分离，若产生位置在该空间外，则会复合，转变为热能。由于β 射线在半导体内部μm 级的穿透能力及整流结μm 级的厚度[4]，因而β 辐伏电池最小结构单元为紧贴在一起的两层薄膜。

β 辐伏电池的输出电功率P 的计算公式如下：

式（1）中，I——放射源功率面密度，μW/cm2。

η——转化效率。

A——有效贴合的薄膜状内建电场及放射源的面积，cm2。

P 越大，β 辐伏电池的应用范围越广。由于I 和η 存在上限，提升难度大且提升空间有限，而A 可以理论上无限制地增大，故提高P 最有效的方式就是增大A。

功率密度也是核电池的一个重要技术指标，可通过提高体积利用率Vu 来增大功率密度。体积利用率Vu 用来表征放射源和换能器的有效区域体积与核电池总体积之比，公式如下：

式（2）中，ts——衬底厚度； tc——有效区域厚度。

从公式（2）中可以看出：提高体积利用率的途径是减薄衬底的厚度。

2 结构设计

图1 削薄衬底型电池结构示意图Fig.1 Schematic diagram of thin substrate battery structure

图2 切槽型结构示意图Fig.2 Schematic diagram of grooved structure

β 辐伏电池由多个核电池单元堆叠而成，结构设计可分为单元结构设计和整体结构设计。电池单元结构按照放射源和换能器的相对位置关系可以分为两大类：分体式和一体式。分体式是指换能器和放射源独立制作，空间上不重合；一体式是指放射源以原子或微小颗粒的形式弥散在换能器中，在空间上重合；整体结构是指多个电池单元的堆叠方式。

2.1 电池单元分体式结构设计

分体式结构的缺点是β 射线能量的利用率低，但对换能器和放射源材料选择的限制少，选择范围扩大。这种结构设计中放射源有两种形式：单独制作和电镀在半导体表面。

2.1.1 削薄衬底型电池结构

专利[5]中介绍了一种设计方案，在N 型SiC 衬底正面制作N-外延层（19μm）、P+外延层（250nm）和欧姆接触的电极，在背部削薄SiC 衬底（50μm）后制作电极，最后在正面沉积63Ni 源。

图3 TiO2纳米管阵列表面和横截面的扫描电镜照片Fig.3 SEM Photographs of the surface and cross section of TiO2 nanotube arrays

图4 TiO2纳米管同位素电池结构Fig.4 Structure of TiO2 nanotube isotope battery

该方案是目前比较常见的一个方案，优点是整体为一个平面，结构简单，功率密度可达到较高的水平，缺点是β 射线利用率不高，削薄SiC 衬底技术水平要求高且导致半导体材料的严重浪费。

2.1.2 切槽型结构

专利[6]对削薄衬底型电池结构进行了改进，在换能器表面制作了多条切槽，深度为内建电场的厚度，宽度与放射源的厚度相同，并在切槽中填充了放射源，如图2 所示。

该设计方案的优点是增大了核电池的功率密度，缺点是增加了工艺流程和难度，整体结构更加复杂。

2.1.3 纳米管结构

专利[7]中介绍了一种设计方案，该方案在底部电极和顶部电极之间制备半导体二氧化钛纳米管阵列薄膜[8,9]，然后在二氧化钛纳米管里沉积放射源，最后利用磁控溅射技术[10]在纳米管阵列薄膜表面制备金电极层，如图3 和图4所示。

该方案中的半导体为3D 结构，优点是纳米管具有高的比表面积，可极大地提高辐射源与半导体材料的接触面积，从而提高电池能量转换效率（大约20%）和输出功率。缺点是纳米管内放射源沉积技术水平要求极高。

图5 被拉长显示的双向单元器件Fig.5 Bidirectional cell device with elongated display

图6 金刚石慢化层结构示意图Fig.6 Structure diagram of diamond moderating layer

2.1.4 双向三PN结堆叠型结构

专利[11]中介绍了一种设计方案，如图5 所示，放射源为147Pm 箔，每一面均有一个三PN 结的GaAs 换能器（直径0.4cm，厚度120μm）。多PN 结技术广泛应用于光伏电池，用于吸收不同波长的光线，效果相当于多个换能器串联。该设计的功率密度可达到5mW/cm3。图5 为器件被拉长的原理图，实际器件很薄。

该结构的优点是多PN 结相当于增大了换能器内部的有效体积，提高了电子空穴的收集效率，并且三明治结构显著提高了β 射线的利用率。

2.1.5 金刚石慢化层结构

专利[12]中介绍了一种设计方案，该方案在放射源和半导体P/N 结之间放置金刚石慢化层，金刚石慢化层将高能β 粒子慢化为低能β 粒子。

该方案的优点是保护PN 结免受高能β 粒子轰击，提高电池的使用寿命。由于金刚石慢化层可以降低β 粒子能量，因而放射源选择面更广。缺点是金刚石慢化层制作难度极大并且会增加电池的体积，从而增加体电阻和漏电流的风险。

图7 35S辐伏电池结构图Fig.7 Structure diagram of 35S photovoltaic battery

2.2 核电池单元一体式结构设计

一体式结构的优点是β 射线能量的利用率高，但对换能器和放射源材料选择的限制多，选择范围小。

2.2.1 放射源和换能器均匀混合结构

专利[13]中介绍了一种设计方案，该方案使用35S（纯β核素，半衰期为87.4 天，β 平均能量为48.76keV）作为放射源，Se 作为半导体材料，P 等元素作为掺杂元素。将这3 种材料按一定比例混合在一起并加热到275℃左右，使各成分充分混合均匀然后冷却，与微小空腔内的两电极分别形成整流接触和欧姆接触。

该方案的优点是β 射线能量的利用率高，核电池的转换效率高，制作过程简单；缺点是放射源的选择增加了限制条件，如要与半导体材料化学兼容，而且35S 由于半衰期太短，不适合做核电池，目前暂未找到可替代的理想核素。

2.2.2 换能器兼放射源结构

该结构的特点是特定的同位素既作为换能器的组成元素形成耗尽层，又作为放射源发射β 粒子，实现真正的一体化，是很理想的结构形式。专利[14]中介绍了一种设计方案，该方案使用32Si（纯β 核素，半衰期为153 年，β 平均能量为69.55keV）制作PN 结的耗尽层，如图8 所示。

该结构的优点是最大限度地利用了β 射线能量，所有射线均被用来产生电子空穴对。缺点是同位素选择限制条件太苛刻，目前只有32S 相对合适。但32S 存在如下缺点：一是半衰期过长，功率密度过低；二是β 射线能量偏高 ，易导致材料辐照损伤；三是32Si 衰变后的子体为32P(纯β核素，半衰期为14.27 天，β 平均能量为695keV)，能量过高，会导致材料辐照损伤，32P 衰变后的子体为32S（稳定核素），32S 替换32Si 的位置后有可能导致半导体结构损坏。

图8 32Si同位素P/N型电池结构图Fig.8 Structure diagram of 32Si isotope P/N type battery

2.3 核电池整体结构设计

核电池整体结构设计是为了在单位体积内放入更多的核电池单元，增大公式（1）中的A，从而提高功率密度。

2.3.1 盒状夹层堆叠结构

专利[15]中介绍了一种设计方案，该方案中电池的正负极放置在盒子的上表面，放射源、金属触点和绝缘材料集成在一片圆形器件上，SiC 半导体放置在两片器件中形成夹层，每一个夹层形成一个换能器，夹层之间相互堆叠组成串并联电池盒结构，如图9 所示。

该方案的优点是电池盒结构体积小，半导体和放射源接触表面积大，功率密度高，易于设计封装组合，可通过串并联电路提高输出功率；缺点是器件和触点较多，导致体电阻大，工艺要求高，操作有一定难度。

2.3.2 半导体三维表面结构

专利[16]中介绍了一种设计方案，该方案在半导体衬底表面制作各种三维结构如沟槽、倒金字塔等以增加表面积，再在该结构表面上制作整流结和电极，最后在表面沉积放射源。尺寸由放射源自吸收厚度和β 射线在半导体内的穿透厚度决定。通过在0.5mm 厚的晶圆上蚀刻高深宽比的三维结构，表面积可增加超过500 倍，功率密度可增加相应倍数，如图10 和图11 所示。

该方案的优点是功率密度提升了2 ～3 个数量级，缺点是三维结构制作过程复杂，电镀源技术水平要求高。

3 调研结论与建议

本文通过调研得到了多种β 辐伏电池单元及整体结构的设计思路，主要结论及建议如下：

1）结构设计直接决定了核电池整体性能、加工工艺难度、生产成本等方面，必须慎重考虑。

图9 多层换能器堆叠示意图Fig.9 Multilayer transducer stacking diagram

图10 半导体三维表面局部视图Fig.10 Partial view of semiconductor 3D surface

图11 半导体三维表面整体视图Fig.11 Overall view of semiconductor 3D surface

2）放射源与半导体一体式的设计方案可显著增加β射线能量的利用率，但是对放射源核素和半导体材料的选择增加了一些相互限制的条件，进一步缩小了选择范围；分体式的设计方案虽然β 射线能量利用率有所降低，但是放射源核素和半导体材料的选择范围更广。

3）电池的功率密度越大，应用范围越广。因此，β辐伏电池的重要研究方向为提高体积利用率和大规模地对核电池单元进行串并联。

4） 对于能量较高的β 放射源，可采用金刚石或其它减速机构去除β 射线的高能部分，类似于中子慢化，这样可降低对半导体材料耐辐照性能的要求，在损失部分效率的情况下降低工艺难度；对于平面型换能器，研制薄膜源形成三明治形式的结构，可使效率提高1 倍。