TiO2 Nanorod Array for Betavoltaic Cells: Performance Validation and Enhancement with Electron Beam and 63Ni Irradiations

材料科学 辐照 能量转换效率 光电子学 纳米棒 蒙特卡罗方法 纳米技术 物理 数学 统计 核物理学
作者
Sijie Li,T. J. Jiang,Yu Cao,Wendi Zhao,Haisheng San,Xue Li,Lifeng Zhang,Xin Li
出处
期刊:Nanomaterials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:15 (12): 923-923 被引量:1
标识
DOI:10.3390/nano15120923
摘要

The growing demand for reliable micropower sources in extreme environments has accelerated the development of betavoltaic cells (BV cells) with high energy conversion efficiency and superior radiation resistance. This study demonstrates an advanced BV cell architecture utilizing three-dimensional TiO2 nanorod arrays (TNRAs) integrated with a NiOx hole transport layer (HTL). Monte Carlo simulations were employed to optimize the cell design and determine the fabrication parameters for growing TNRAs on FTO substrates via hydrothermal synthesis. The performance evaluation employed both electron beam (2.36 × 109 e/cm2·s) and 63Ni (3.4 mCi/cm2) irradiation methods. The simulation results revealed optimal energy deposition characteristics, with ~96% of β-particle energy effectively absorbed within the 2 μm thick FTO/TNRA/NiOx/Au structure. The NiOx-incorporated device achieved an energy conversion efficiency of 4.84%, with a short-circuit current of 119.9 nA, an open-circuit voltage of 324.2 mV, and a maximum power output of 24.0 nW, representing a 3.76-fold enhancement over HTL-free devices. Radioactive source testing confirmed stable power generation and linear efficiency scaling, validating electron beam irradiation as an effective accelerated testing methodology for BV cell research.
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