量化贝塔伏打器件性能的能谱解析评价指标研究

为解决不同半导体材料与放射性同位素组合的贝塔伏打（betavoltaic）器件性能难以标准化比较的问题，Mathieu de Lafontaine团队提出了捕获效率（ηcapture）、增益（Γ）和增益效率（ηΓ）三项能谱解析评价指标。研究通过GaAs、SiC和GaN器件在3H/63Ni辐照下的数值模拟，揭示了低原子序数材料可提升能量捕获效率，且单结器件无需完全吸收辐射即可获得最大效率。该成果为长效能源器件开发提供了普适性评价框架。

　　

在深空探测、深海设备和植入式医疗装置等极端环境中，传统化学电池的有限寿命成为技术瓶颈。贝塔伏打技术通过半导体将放射性同位素（如³H和⁶³Ni）的β衰变能量转化为电能，理论上可实现数十年持续供电。然而该领域长期面临关键挑战：不同半导体材料（GaAs、SiC、GaN等）与同位素组合的性能差异缺乏统一评价标准，导致技术路线选择缺乏依据。

为建立跨平台比较体系，加拿大渥太华大学Mathieu de Lafontaine团队在《Cell Reports Physical Science》发表研究，创新性提出三项能谱解析评价指标。捕获效率量化β粒子能量被器件吸收的比例，增益反映载流子倍增效应，增益效率则评估载流子收集效能。研究通过蒙特卡洛模拟（CASINO）、辐射电离转换（RICC）和半导体器件仿真（Sentaurus TCAD）的三联技术平台，结合粒子群优化算法，系统分析了p-n和p-i-n结构在两种同位素辐照下的性能极限。

捕获效率揭示材料选择准则

能谱分析显示，SiC因较低原子序数和密度，其捕获效率比GaN和GaAs平均高3-4%。³H在1-10 keV低能区的背散射损失显著，而⁶³Ni因更高能量粒子（达66 keV）穿透更深，98%载流子可在结区内产生。该发现提示通过超材料设计降低有效原子序数可能提升性能。

增益效应与结构优化

在³H辐照下，p-n结因较高开路电压（V_oc）而优于p-i-n结构；而⁶³Ni因载流子生成深度达10 μm，p-i-n结构的宽耗尽区使增益效率提升5%。数值模拟表明，³H器件最佳厚度仅需2 μm，而⁶³Ni器件需10 μm以上，但过厚会导致体复合损失。

技术普适性与应用启示

研究建立的评价体系可拓展至钙钛矿、金刚石等新型材料。表1总结的指标与光伏领域吸收因子、内量子效率形成类比，但增益指标（Γ）因β粒子级联效应而具有独特性。实践意义在于：1）低原子序数材料组合⁶³Ni可实现更高系统效率；2）单结器件存在最优厚度而非越厚越好；3）电子束诱导电流技术可实验验证这些指标。

该研究突破了贝塔伏打领域"一种材料一套标准"的局限，为长效能源器件设计提供了通用方法论。未来通过超材料工程和异质结优化，有望将理论效率从当前5-30%进一步提升，推动其在心脏起搏器、空间探测器等领域的实用化进程。