基于微半导体阵列的柔性贝塔伏打电池设计与仿真优化

本文创新性地提出了一种基于聚酰亚胺（PI）基底的柔性贝塔伏打电池设计，通过蒙特卡洛（Monte Carlo）方法优化辐射源厚度，并采用COMSOL Multiphysics仿真优化半导体转换器结构。研究表明，采用AlxGa1-xN材料的电池开路电压达3.8 V，功率密度达327.75 nW/cm2，显著优于GaN材料（218.77 nW/cm2），为可穿戴医疗设备、物联网（IoT）等柔性电子领域提供了高效能源解决方案。

　　

Highlight

本研究通过蒙特卡洛模拟（Monte Carlo）优化了柔性聚酰亚胺（PI）辐射源的自吸收效应厚度，并基于能量沉积数据在COMSOL Multiphysics中优化了半导体结构参数。结果显示：以Al_xGa_1-xN为能量转换材料时，器件开路电压达3.8 V，功率密度达327.75 nW/cm²，总能量转换效率（η_total）为1.12%，显著优于GaN材料（218.77 nW/cm²）。

Discussion

结构优化后，GaN器件的开路电压为2.52 V，功率密度218.77 nW/cm²，效率（η_device）9.51%；而Al_xGa_1-xN器件性能全面提升，填充因子（FF）高达92.07%，验证了宽禁带半导体在柔性能源中的优势。

Conclusion

该研究结合同位素标记、喷墨打印和微转移印刷技术，提出了一种可规模化生产的柔性贝塔伏打电池方案，为可穿戴医疗和物联网（IoT）设备提供了长效、高能量密度的供能新途径。