综述丨金刚石核电池研究进展

文章亮点

中科院半导体研究所金鹏团队全面回顾了基于金刚石核电池的研究进展，系统分析了α、β、γ三类辐射伏特电池的理论与实验成果。文章总结了不同器件结构（肖特基结与p–n结）的能量转换机制与效率优化策略，并展望了金刚石核电池在微能源和空间供能领域的未来发展方向。

研究背景

核电池是一种可将放射性同位素衰变所产生的能量转换为电能的能源装置，具备寿命长、能量密度高、环境适应性强等优点。核电池可应用于一些极端环境区域（如：太空、深海、沙漠、冰原等），为在这些区域中工作的探测、科研装备提供电能。传统硅基核电池受限于带隙窄、辐射耐受性差等因素，输出效率和稳定性不足。为提升器件性能，研究者开始采用宽禁带半导体材料，如4H-SiC、GaN等，进行核电池的制备。与这些材料相比，金刚石因具备超宽禁带、高热导率与强抗辐照能力，成为制备核电池的理想材料。

图1 （a）p–n结核电池与（b）p型肖特基结核电池的工作原理

研究成果

中科院半导体研究所金鹏团队系统总结了基于金刚石的核电池的发展现状，主要包括：

金刚石基α伏特电池：该结构采用α放射源与半导体能量转换单元相结合而构成。目前，一些科研人员选用Am-241放射源进行了金刚石α伏特电池的制备。应用金刚石肖特基结构器件与Am-241结合所制备的α伏特电池，其开路电压可达1.13 V，能量转换效率约0.83%，在金刚石肖特基结能量转换器中引入ZnO电子传输层后，α伏特电池的能量转换效率提升至1.42%。同时，也有一些研究人员采用Pu-238放射源与金刚石肖特基器件相结合，进行了金刚石α伏特电池的制备。器件的开路电压可达1.85 V，能量转换效率约3.6%。

金刚石基β伏特电池：该结构采用β辐射源驱动金刚石p–n结或肖特基结构发电。科研人员通过蒙特卡洛模拟预测，以⁶³Ni源结合金刚石p⁺–p–n⁺能量转换结构所形成的β伏特电池，其理论效率可达26.8%。同时，一些文献中也给出了金刚石β伏特电池的实验结果，由多个金刚石肖特基能量转换单元与63Ni源所构成的β伏特电池组实现了0.93μW的最大输出功率。

金刚石基γ伏特电池：γ伏特电池目前仍处于初级研究阶段。有报道显示，采用表面带有部分氢终端原子的金刚石来制备γ伏特电池，可提高γ射线的捕获截面并同时降低器件的串联电阻。所制备的器件在150 keV、归一化通量2×1011γ.s-1的光子照射下可获得0.8 V开路电压与大于3 μW的最大输出功率，为金刚石在γ及X射线能量转换领域开辟了新路径。

结论与展望

近年来，金刚石核电池的研究取得了显著进展，研究人员通过理论及实验方式，研究并制备了金刚石α-、β-及γ-伏特电池。目前大多数金刚石核电池的制备是基于肖特基势垒二极管结构。受制于n型金刚石的制备难度，仅有少数关于金刚石p-n结核电池的报导。后续研究可聚焦于：

1. n型金刚石及p–n结电池制备

   ：突破制备难点，显著提升器件性能。

2. 金刚石能量转换器的优化

   ：通过提升金刚石的晶体质量、优化掺杂浓度和改进能量转换器的结构，可进一步提高器件性能。

3. 放射源的优化

   ：合理选择放射源的种类、厚度与活度，降低放射源的自吸收损失，可进一步提高能量转换效率。

总体来看，金刚石核电池具备广阔的发展前景及应用价值。

相关成果以“A review for nuclear batteries based on diamond”为题，发表在Functional Diamond期刊上。

引用格式：

Han, X., Cao, F., Qu, P., Jin, P., & Wang, Z. (2026). A review for nuclear batteries based on diamond. Functional Diamond, 6(1). https://doi.org/10.1080/26941112.2025.2601399

文章来源：Functional Diamond