隨著我國核能快速發(fā)展，伴隨而來的大量核廢料中含有半衰期長達(dá)數(shù)千年到百萬年的錒系核素，長期被視為環(huán)境負(fù)擔(dān)。然而，這些原本需要封存數(shù)萬年的“危險(xiǎn)品”，因其在衰變過程中持續(xù)釋放高能α射線的特性，恰恰成為制造微型核電池的理想原料。

與傳統(tǒng)的鋰、鎳氫等化學(xué)電池不同，微型核電池的能量來源并非化學(xué)反應(yīng)，而是放射性衰變。其使用壽命與所用放射性同位素的半衰期高度相關(guān)，能夠維持?jǐn)?shù)十年至數(shù)百年的穩(wěn)定供電。這既實(shí)現(xiàn)了放射性廢物減容與高值化利用，也為解決核電可持續(xù)發(fā)展面臨的“瓶頸”提供了創(chuàng)新思路。

什么是輻射光伏核電池

輻射光伏核電池是一種利用放射性核素衰變釋放的粒子激發(fā)熒光材料，再通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的微型核電池。由于該設(shè)計(jì)避免了輻射粒子與半導(dǎo)體直接作用，顯著提升了電池的穩(wěn)定性與使用壽命，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

通常，傳統(tǒng)的輻射光伏核電池采用的放射源+閃爍體+光伏器件物理堆疊架構(gòu)，使用β核素作為放射源，在這種架構(gòu)中，β射線由于其較長的穿透深度，能夠有效地將能量沉積到能量轉(zhuǎn)換材料中。而α粒子在傳輸過程中，由于自吸收效應(yīng)會(huì)顯著損失衰變能量，導(dǎo)致基于α放射性核素的前期嘗試中，實(shí)際輸出功率密度遠(yuǎn)低于理論值。目前已報(bào)道的最大α輻射光伏核電池能量轉(zhuǎn)換效率僅不足0.5%，嚴(yán)重制約了錒系核素在輻射光伏核電池的功能化利用。

新方法使發(fā)電效率提升8000倍

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”的錒系輻射光伏核電池架構(gòu)，在分子級(jí)別上將放射性核素與能量轉(zhuǎn)換單元緊密耦合，從根本上克服了自吸收效應(yīng)，大幅提升了衰變能轉(zhuǎn)換效率。

接著，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論模擬兩個(gè)方面，進(jìn)一步驗(yàn)證了“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”可以顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放射性核素內(nèi)置模式下從衰變能到光能的能量轉(zhuǎn)化效率，比傳統(tǒng)金屬源結(jié)構(gòu)提高近8000倍。

可持續(xù)工作200小時(shí)

除了出色的能量轉(zhuǎn)換性能外，“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”還表現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和發(fā)光穩(wěn)定性，這對(duì)于長期可靠的微功率輸出至關(guān)重要。

為了將長期穩(wěn)定的自發(fā)光轉(zhuǎn)化為電能輸出，研究團(tuán)隊(duì)把“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”與光伏電池相結(jié)合，并選擇了具有窄帶隙、低激子結(jié)合能、長載流子壽命和良好的缺陷容忍度的混合陽離子鹵化鉛鈣鈦礦薄膜作為活性層。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的錒系微型輻射光伏核電池，實(shí)現(xiàn)了此類電池最高的總能量轉(zhuǎn)換效率和單位活度功率。同時(shí)，該錒系微型輻射光伏核電池在持續(xù)運(yùn)行200小時(shí)內(nèi)，性能參數(shù)幾乎沒有衰減，表明它具有優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。

該成果讓原本令人頭疼的放射性核廢料，“變身”為持久電源，既解決了核廢料處理難題，又創(chuàng)造了新的能源價(jià)值。未來，“聚結(jié)型能量轉(zhuǎn)換器”的錒系輻射光伏核電池或?qū)⒊蔀榄h(huán)保又經(jīng)濟(jì)的能源選擇，讓我們既能安全利用核能，又能解決監(jiān)測(cè)難度較大且需要長期運(yùn)行的特殊場景供電難題，更為可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。

來源: 科普時(shí)報(bào)