导读

近日，中国原子能研究院李鑫研究员团队与厦门大学伞海生教授团队在辐致光伏效应同位素电池制备领域取得重要突破。该研究创新性地提出，以铈掺杂钆镓铝石榴石（GAGG:Ce）闪烁体为基质，构建聚光波导辐致荧光换能结构。通过锶-90（⁹⁰Sr）放射性同位素与该结构进行多层交替耦合与堆叠，有效实现了激发荧光在闪烁体波导内的高效传输和聚光发射，大幅增强了电池的体积能量密度与输出功率。基于这一换能结构，团队成功制备出小型化辐致光伏效应同位素电池样机。经测试，该样机能量转化效率高达2.96%，输出功率可达48.9 μW，并且能够通过多模块集成实现毫瓦级输出。值得一提的是，其换能效率值与功率输出值均超越了国际上已报道的同类型核电池水平。

这一研究成果为辐致光伏效应同位素电池在极端环境与特种装备能源领域的应用开辟了新的可能。该成果以“High - efficiency ⁹⁰Sr radio - photovoltaic cells based on waveguide light concentration structure”为题，发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。其中，厦门大学博士研究生姜同心与中国原子能科学研究院李思杰研究员为论文共同第一作者，中国原子能科学研究院李鑫研究员、李雪副研究员和厦门大学伞海生教授为论文共同通讯作者。

研究背景

核电池凭借其高能量密度、长使用寿命以及免维护等显著特性，在深空探测、深海监测以及极地科考等极端环境的能源供应方面，具备其他能源供应方式难以企及的优势，具有不可替代的重要地位。然而，就目前而言，传统辐致光伏效应同位素电池仍然面临着诸多亟待解决的技术难题，具体表现如下：

1）放射源利用效率低下：传统设计采用“放射源→荧光层→光伏组件”这种单级能量传递结构，导致衰变粒子的利用效率大打折扣，并且换能结构的成本效益也处于较低水平；

2）输出功率不足：传统荧光粉材料存在严重的自吸收效应，这会使得部分荧光在生成过程中就被材料自身吸收，无法有效发出。同时，衰变粒子能量在与荧光光子进行多界面传输时，会产生大量损耗，从而限制了光子通量密度。而光子通量密度的不足，又进一步制约了光伏组件的光电转化能力，最终导致电池输出功率难以提升；

3）光伏单元弱光转换效率低：由于光伏单元本身在弱光条件下进行能量转换的能力有限，而辐致荧光产生的光相对较弱，这就使得传统结构的辐致荧光光电转换效率始终处于较低水平，无法满足实际应用对高效能量转换的需求。

创新研究

为有效解决上述问题，研究团队创新地提出了基于聚光波导结构的⁹⁰Sr辐致光伏同位素电池（如图1所示）。研究团队通过材料与结构设计的协同优化，对能量产生和传递路径进行了大胆且创新的设计。在材料选择上，该电池精心挑选了GAGG:Ce晶体作为辐致荧光材料。这种晶体优势显著，不仅具备高达 55,000 ph/MeV的高光产额，而且在自身激发荧光方面具有90%的高光透射率，这意味着更多的光子能够顺利透过晶体，减少了能量在晶体内的损耗。

在实验中，研究人员对该晶体进行了长达50年等效辐照测试，结果显示其性能仅衰减了 13.8%，充分展现了该晶体出色的抗辐射特性。在结构设计上，研究人员采用了将⁹⁰Sr 放射源与 GAGG:Ce 闪烁体波导交替堆叠的创新设计。这样的结构使得β粒子能够被有效吸收，从而实现了辐致荧光的高效换能。通过构建闪烁波导堆叠结构，成功实现了波导边聚光并增强发射的效果。

同时，研究人员还在波导边制备了微纳结构，进一步提升了表面发射率，使得光子通量密度最高提升了7倍（如图2（a）和2（b）所示）。这种高荧光发射强度显著提升了与光谱相匹配的AlGaInP光伏组件的光电转换效率（如图2（c）所示）。经过实验测试，单模块样机输出功率达到了48.9 μW，能量转化效率为2.96%（如图2（d）所示）。而多模块集成系统更是将功率提升至毫瓦级（如图2（e）所示），这一功率水平能够满足低功耗传感器节点的供能需求。未来，通过与储能器件配合使用，该电池有望实现瞬时瓦级功率输出，进一步拓展其应用范围。

图1. 基于闪烁波导聚光结构的辐致光伏⁹⁰Sr同位素电池结构

具体而言，研究团队通过大量扫描硅超构原子的形状与其几何参数（图2a），最终在左旋圆偏振光的提取通道中成功构建出奇异点（图2b），并且在围绕奇异点的附近观察到具有拓扑特性的相位分布；而在右旋圆偏振光通道中没有观察到类似奇异点的现象（图2c）。

图2. (a) 闪烁波导边增强发射测试结果和 (b) 测试平台；(c) 辐致发射谱和光响应谱；(d) 单模块和 (e) 多模块集成电池的电学输出性能。

应用与展望

该技术实现未来产业化应用仍面临着诸多现实挑战。首先，⁹⁰Sr放射性同位素成本居高不下，这极大地限制了其在大规模产业化中的应用。要解决这一困境，需要从生产源头优化成本和增大产量，同时考虑开发核废料作为替代方案，但这需要进一步的技术研发和验证。其次，电池的转换效率还有进一步提升的潜力。可从材料科学和工艺优化两方面入手，对闪烁体材料 GAGG:Ce 的组分展开深入的优化设计。通过精确调控成分比例，探索不同元素掺杂对材料性能的影响，同时精细调控制备工艺和参数，有望进一步提高GAGG:Ce的光产额并延长光子寿命，增强荧光产生的效率，从而提升电池的整体转换效率。最后，开发弱光转换效率更高的光伏器件是突破转换效率瓶颈的关键。当前电池的转换效率受限于光伏器件在弱光条件下的低转换能力，若能成功研发出相关高性能光伏器件，将使辐光转换的效率有望突破5%，这将极大提升电池的能量输出能力，为产业化应用奠定坚实的性能基础。

辐致光伏同位素电池的优势在于它在使用高能辐射源的同时，能够巧妙地避免器件遭受辐射损伤，从而保证了电池能够持续稳定地输出高功率，并且拥有较长的工作寿命。凭借这些优势，该电池在多个关键领域具有广阔的潜在应用场景，包括深空探索、深海和极地的环境监测、偏远地区或恶劣环境下的灾害预警（如对火山、森林和核设施的监测等），以及基础设施（如桥梁、隧道和大坝等）的健康监测。它能为上述场景中的电子设备在无光照环境下持续运行数十年提供免维护能源。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01875-1