“高能量转化效率锕系辐射光伏微核电池的创制”成果，入选了由国家自然科学基金委员会公布的2024年度“中国科学十大进展”。

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随着我国核能快速发展，伴随而来的大量核废料中含有半衰期长达数千年到百万年的锕系核素，长期被视为环境负担。然而，这些原本需要封存数万年的“危险品”，因其在衰变过程中持续释放高能α射线的特性，恰恰成为制造微型核电池的理想原料。

与传统的锂、镍氢等化学电池不同，微型核电池的能量来源并非化学反应，而是放射性衰变。其使用寿命与所用放射性同位素的半衰期高度相关，能够维持数十年至数百年的稳定供电。这既实现了放射性废物减容与高值化利用，也为解决核电可持续发展面临的“瓶颈”提供了创新思路。

什么是辐射光伏核电池

辐射光伏核电池是一种利用放射性核素衰变释放的粒子激发荧光材料，再通过光生伏特效应将光能转换为电能的微型核电池。由于该设计避免了辐射粒子与半导体直接作用，显著提升了电池的稳定性与使用寿命，成为近年来的研究热点。

通常，传统的辐射光伏核电池采用的放射源+闪烁体+光伏器件物理堆叠架构，使用β核素作为放射源，在这种架构中，β射线由于其较长的穿透深度，能够有效地将能量沉积到能量转换材料中。而α粒子在传输过程中，由于自吸收效应会显著损失衰变能量，导致基于α放射性核素的前期尝试中，实际输出功率密度远低于理论值。目前已报道的最大α辐射光伏核电池能量转换效率仅不足0.5%，严重制约了锕系核素在辐射光伏核电池的功能化利用。

新方法使发电效率提升8000倍

针对这一难题，研究团队提出了一种基于“聚结型能量转换器”的锕系辐射光伏核电池架构，在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合，从根本上克服了自吸收效应，大幅提升了衰变能转换效率。

接着，研究团队通过实验测定和理论模拟两个方面，进一步验证了“聚结型能量转换器”可以显著提高能量转换效率。实验结果表明，放射性核素内置模式下从衰变能到光能的能量转化效率，比传统金属源结构提高近8000倍。

可持续工作200小时

除了出色的能量转换性能外，“聚结型能量转换器”还表现出卓越的结构稳定性和发光稳定性，这对于长期可靠的微功率输出至关重要。

为了将长期稳定的自发光转化为电能输出，研究团队把“聚结型能量转换器”与光伏电池相结合，并选择了具有窄带隙、低激子结合能、长载流子寿命和良好的缺陷容忍度的混合阳离子卤化铅钙钛矿薄膜作为活性层。据此，研究团队开发了一种新的锕系微型辐射光伏核电池，实现了此类电池最高的总能量转换效率和单位活度功率。同时，该锕系微型辐射光伏核电池在持续运行200小时内，性能参数几乎没有衰减，表明它具有优异的性能稳定性。

该成果让原本令人头疼的放射性核废料，“变身”为持久电源，既解决了核废料处理难题，又创造了新的能源价值。未来，“聚结型能量转换器”的锕系辐射光伏核电池或将成为环保又经济的能源选择，让我们既能安全利用核能，又能解决监测难度较大且需要长期运行的特殊场景供电难题，更为可持续发展提供了新思路。

（作者李凯系苏州大学放射医学与防护学院副研究员，王殳凹系苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室主任）