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【会员论文】哈尔滨工业大学朱嘉琦教授团队：集成堆叠p型金刚石/n型Ga₂O₃异质结实现高开路电压核电池
日期：2025-09-29阅读：49
由哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室的研究团队在学术期刊 Journal of Energy Storage 发布了一篇名为 High open-circuit voltage nuclear batteries enabled by integrated stacked p-diamond/n-Ga2O3 heterojunction（集成堆叠 p 型金刚石/n 型 Ga2O3 异质结实现高开路电压核电池）的文章。
实验室介绍
哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室于2000年被批准建设立项，2008年通过验收并正式运行。重点实验室位于哈尔滨工业大学科学园，实验室专用楼建筑面积6180平方米。现有固定人员60人，其中正高级职称25人、副高级职称19人、中级职称16人。仪器设备911台(套) ，固定资产总值1.12亿元。
重点实验室针对国家航空航天等领域超常服役条件下的先进复合材料和特种功能材料及结构开展前瞻性、前沿性以及重大关键技术应用基础研究。主要研究方向为特种环境复合材料模拟表征与优化设计、复合与组织性能控制技术、性能测试与分析技术。
重点实验室建设强调多学科交叉，体现国家科技发展需求的牵引与新材料技术的推动，重点解决材料与环境耦合作用机理、材料设计与低成本制造、材料使用性能表征与评价等若干共性关键问题。旨在建成国际先进、国内领先的先进复合材料及特种功能材料研发平台，培养高水平科技创新人才和研究团队。自2000年以来，承担了以前沿、探索和应用基础研究为主的科研项目近500多项，近五年年均实到科研经费5000万以上；获国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖4项，省部级科技奖励20余项；年均授权国家/国防发明专利20项，在国内外重要学术期刊和会议发表论文年均200篇。
重点实验室规章制度健全，管理与运行状态良好，对外开放和学术交流成效显著，形成了“崇德广业，穷理致用”的实验室文化特色，已成为国家特种复合材料行业的基础研究和应用基础研究平台。
通讯作者介绍
朱嘉琦，哈尔滨工业大学航天学院、郑研院教授、博导，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金，万人计划领军人才，科技部重点专项、装备发展部领域专家，科工局科技创新领域专家，国防科技创新团队带头人，高效焊接新技术国家工程研究中心副主任，“新一代半导体材料与器件“国家引才引智示范基地负责人，国际薄膜学会（TFS）会士。主要从事金刚石晶体材料、透明材料以及高导热复合材料等研究，担任中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国材料研究学会极端材料与器件分会副主任，中国仪表材料学会副理事长, Functional Diamond、Surface Science and Technology副主编，表面技术、材料导报、人工晶体学报、中国表面工程、真空与低温、功能材料、材料科学与工艺、航空制造技术等杂志编委，获得中国青年科技奖、省青年五四奖章等荣誉，获国家技术发明奖二等奖2项（2023排1、2011排2），国家专利金奖1项（2022排1），GF技术发明与技术进步一等奖各1项（2024、2022，均排1），省技术发明一等奖2项（2014、2021，均排1），省级专利金奖2项。以负责人承担国家自然科学基金6项（含重点1项）、重点研发计划项目2项、国防基础科研3项、预研计划7项、军品配套3项等科研项目。成果已应用于多种重点型号，并实现产业化。获授权发明专利108项，在SCIENCE, ADVANCED MATERIALS等知名刊物发表200余篇学术论文，出版学术专著2部，译著1部，入选爱思唯尔World’s Top 2% Scientists。
项目支持
本研究得到中国国家重点研发计划（Grant No. 2022YFE0110900）、国家自然科学基金（Grant No. 52302040）、 中国博士后科学基金（Grant No. 2023M730840）；特种环境复合材料技术国家级重点实验室科研基金（Grant No. JCKYS2024603C006）；黑龙江省博士后基金（Grant No. LBH-Z23160）； 哈尔滨工业大学青年杰出人才科研启动基金；新时代龙江优秀硕士、博士学位论文资助项目（Grant No. LJYXL2023-026）。
背 景
核电池（又称放射性同位素电池）具有体积小、寿命长、稳定性高等优点，是极端环境下微机电系统、植入式医疗设备和深海探测器等应用的理想微型电源。在各类核电池中，倍他伏特核电池直接将β射线（电子）的能量转化为电能，具有较高的转换效率。金刚石以其超宽的禁带宽度、优异的抗辐射能力和高载流子迁移率，被认为是制造高开路电压核电池能量转换器的最佳材料。然而，金刚石核电池的发展面临三大挑战：1）放射源自身的能量损失；2）β 粒子在金刚石中穿透深度浅，能量利用率低；3）金刚石难以实现高质量的 n 型掺杂，阻碍了 p-n 同质结的制备。为了克服这些困难，将 p 型金刚石与一种晶格匹配且能带结构合适的 n 型宽禁带半导体构成异质结，是一种极具前景的技术路线。 其中，n 型 β-Ga2O3 因其宽禁带和与金刚石无晶格失配的特点，成为理想的匹配材料。
主要内容
核电池凭借其体积小巧、寿命长久、稳定性高的特性，成为适用于极端环境的替代能源。然而，放射性源的高能量损耗与能量转换器低能量转换效率限制了其大规模应用。金刚石凭借其强辐射耐受性、超宽带隙及高载流子迁移率，成为追求高开路电压的核电池最具潜力的能量转换材料。本研究设计了一种 p 型金刚石/n 型 Ga2O3 异质结 β 伏特核电池，采用创新的叠层异质结结构与低损耗 63Ni/Ni 放射源电极。该结构集成显著提升了能量沉积与载流子收集效率。通过优化半导体特性及关键结构参数，电池在 200 mCi 63Ni 辐照下实现 3.06 V 开路电压、12.8% 转换效率及 354 μW·cm−3 功率密度，超越现有宽带隙半导体核电池的输出性能。针对极端环境下低占空比脉冲模式微机电系统的独特运行需求，提出集成先进能源管理系统的高能核电池方案。该设计使高能核电池能在 nA-mA 量级范围内精确稳定调节脉冲电流输出，在提升运行效率与使用寿命的同时，实现智能环境监测与设备故障诊断功能。
研究亮点
● p 型金刚石/n 型 Ga2O3 异质结 β 伏特电池，适用于极端环境供电。
● 叠层金刚石核电池实现 3.06 V 开路电压。
● 集成 63Ni/Ni 放射性电极降低 4% 能量损耗，提升转换效率。
● 通过优化半导体材料与结构，β 伏特电池功率密度达 354 μW cm−3。
● 配合先进能源管理系统，为低占空比MEMS器件供电。
结 论
本研究通过理论设计和仿真，证明了集成堆叠式p-金刚石/n-Ga2O3 异质结核电池是一种能够有效提升开路电压和能量密度的新型设计方案。经过优化，单个电池单元的开路电压可达 3.06 V，功率密度为354 μW/cm3，转换效率为12.8%，其综合性能优于目前已报道的宽禁带半导体核电池。结合先进的能量管理系统，这种新型核电池能够为极端环境下的MEMS设备提供长寿命、高稳定性的微型动力源，在便携智能设备、植入式医疗设备和深海信标等领域具有巨大的应用潜力。
图1. 集成式堆叠 p 型金刚石/n 型 Ga2O3 异质结核电池示意图。
图2. (a) 不同镍源厚度下：(1) 250 nm镍电极上离散63Ni源（100%丰度）、(2) 250 nm镍电极上离散63Ni源（24%丰度）、(3) 集成63Ni/Ni（24%丰度）放射性源电极的视功率密度与能量损耗率。(b) 含63Ni源时，(1)垂直金刚石、(2)垂直Ga2O3、(3)金刚石/Ga2O3异质结、(4)堆叠式金刚石/Ga2O3异质结结构中的能量沉积分布。(c) 载流子迁移率与掺杂浓度的关系曲线。(d) 金刚石(Na-)中离子化受主浓度随受主浓度(Na)变化的曲线。
图3. (a) 输出功率密度(Pm)、短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)；(b) 电流密度-电压(J-V)与功率密度-电压(P-V)特性曲线；(c) p区掺杂浓度(Na)的电场分布。参数：Nd = 1016 cm−3，Hp = 4 μm，Hn = 2 μm。（d）Pm、Jsc与Voc，（e）J-V特性曲线，（f）热平衡状态下的能带图，均为与n区掺杂浓度（Nd）的函数关系。参数：Na = 1015 cm−3，Hp = 4 μm，Hn = 2 μm。
图 4. （a）Pm、Jsc 和 Voc，（b）J-V 和 P-V 特性随 p 区掺杂浓度（Na）的变化。参数：Na = 1015 cm−3，Nd = 3.98 × 1016 cm−3，Hp+ = 0.5 μm，Hp = 4 μm，Hn = 2 μm。（c）Pm、Jsc 和 Voc，（d）J-V、P-V 特性曲线随 n 区掺杂浓度（Nd）的变化。参数：Na = 1015 cm−3，Nd = 3.98 × 1016 cm−3，Na = 1019 cm−3，Hp+ = 0.5 μm，Hp = 3.5 μm，Hn = 1.5 μm，Hn+ = 0.5 μm。（e）电场分布和（f）热平衡状态下的能带图，均为有重掺杂区和无重掺杂区。参数：Na = 1019 cm−3，Na = 1015 cm−3，Nd = 3.98 × 1016 cm−3，Nd = 3.98 × 1017 cm−3，Hp+ = 0.5 μm，Hp = 3.5 μm，Hn = 1.5 μm，Hn+ = 0.5 μm。
图 5. （a）Pm，（b）Jsc 以及（c）Voc 随 p+ 区厚度（Hp+）和 n 区厚度（Hn+）的变化。参数：NA = 1019 cm−3，Na = 1015 cm−3，Nd = 3.98×1016 cm−3，ND = 3.98×1017 cm−3，Hp = 4 μm - Hp+，Hn = 2 μm - Hn+。（d）优化后的单个金刚石/Ga2O3 异质结电池单元的二维结构图。参数：NA = 1019 cm−3，Na = 1015 cm−3，ND = 3.98×1017 cm−3，Hp+ = 0.1 μm，Hp = 3.9 μm，Hn+ = 2 μm。
DOI：
doi.org/10.1016/j.est.2025.118454
