综述：采用集成叠层p-金刚石/n-氧化镓异质结实现高开路电压核电池

本综述推荐一种创新型叠层异质结核电池设计，通过集成p型金刚石与n型氧化镓（Ga2O363Ni源电极，显著提升能量沉积效率与载流子收集能力。该设计使核电池在极端环境下实现3.06 V开路电压、12.8%转换效率及354 μW·cm?3功率密度，为微机电系统（MEMS）提供稳定脉冲电流调控与长效供电解决方案。

　　

Model-building

该异质结采用集成叠层设计，正负电极为含24% ⁶³Ni的镍材料，分置于异质结两侧。研究通过蒙特卡罗软件模拟⁶³Ni/Ni辐射电极的能量损耗及异质结内能量沉积分布，同时考虑硼掺杂金刚石的不完全电离特性以及载流子的生成与复合过程，以精确预测核电池的输出性能。

Results and discussions

提升核电池性能需深入理解其载流子传输机制并基于工作原理优化器件结构参数。β辐射伏特电池的驱动机制为半导体材料吸收β粒子能量后生成数万电子-空穴对（即载流子）。在耗尽区内生成或可扩散至耗尽区的电子-空穴对会在内建电场作用下分离，电子向n区移动而空穴向p区移动，形成电势差。载流子传输过程主要受辐射强度、半导体材料特性及结型结构影响。

研究通过优化半导体特性与关键结构参数，使电池在200 mCi ⁶³Ni辐照下达到3.06 V开路电压与352 μW·cm^?3功率密度，性能显著优于既往宽禁带半导体核电池。叠层结构设计克服了传统垂直结构的能量沉积饱和限制，大幅提升体积利用率与整体性能。此外，集成放射性源电极显著降低能量损耗，而金刚石与氧化镓的阶梯状能带结构有利于高效载流子传输。

Summary and conclusions

本研究提出了一种具有叠层结构与集成放射源电极的金刚石/Ga₂O₃异质结核电池，可有效提升金刚石核电池的开路电压与能量密度。通过蒙特卡罗模拟与有限元建模软件对电池结构进行精细化建模，综合考虑⁶³Ni/Ni辐射电极的能量损耗效应、异质结中能量沉积分布、硼掺杂金刚石的不完全电离以及载流子传输与复合机制，实现了对电池性能的准确预测。该设计为极端环境下低占空比脉冲操作的微机电系统（MEMS）提供了高效、稳定的电源解决方案，显著提升设备运行效率与使用寿命。

CRediT authorship contribution statement

Ziyi Chen：原创撰写、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念化；Benjian Liu：审阅编辑、资源管理、项目管理、方法论、资金获取；Wenchao Zhang：方法论、研究、概念化；Chuanlong Li：方法论、形式分析；Bo Liang：方法论、形式分析；Wei Liang：方法论、概念化；Sen Zhang：资源管理、资金获取。

Declaration of competing interest

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系影响本研究。

Acknowledgments

本研究由国家重点研发计划（2022YFE0110900）、国家自然科学基金（52202040）、中国博士后科学基金（2023M730840）、特殊环境先进复合材料国家重点实验室科学基金（JCKYS2024603C006）、黑龙江省博士后基金（LBH-Z23160）、青年顶尖人才科研启动基金资助。