Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Haisheng San, giáo sư tại Đại học Xiamen, và Tiến sĩ Xin Li, nhà nghiên cứu tại Viện năng lượng nguyên tử Trung Quốc dẫn đầu, đặt mục tiêu cải thiện hiệu suất pin trong môi trường khắc nghiệt.

Các nhà nghiên cứu cho biết, các nguồn điện thông thường (như pin hóa học, pin nhiên liệu, pin quang điện) không đáp ứng được các yêu cầu vận hành nghiêm ngặt của môi trường khắc nghiệt, như trong không gian hoặc cơ sở hạ tầng dưới biển sâu.

Mật độ năng lượng hạn chế, độ nhạy với các yếu tố môi trường, nhu cầu bảo trì định kỳ khiến các loại pin này không thực tế với các nhiệm vụ đòi hỏi nguồn điện liên tục, độ bền lâu dài, không cần giám sát trong nhiều năm liền.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu phát triển tế bào quang điện vô tuyến strontium-90 (RPVC), chế tạo trên cấu trúc tập trung ánh sáng của ống dẫn sóng (WLC). Thiết kế này tích hợp các ống dẫn sóng GAGG: Ce (Cerium-doped gadolinium aluminum gallium garnet) xếp nhiều lớp với các đồng vị phóng xạ strontium-90.

GAGG: Ce là chất phát quang đơn tinh thể, có khả năng phát hiện photon tuyệt vời. Đây là một trong những chất phát sáng nhất hiện có, với đỉnh phát xạ ở 520 nanomet. Thiết bị này chuyển đổi năng lượng phóng xạ thành ánh sáng, sau đó được hướng đến các tế bào quang điện để tạo ra điện.

Trong các thử nghiệm hiệu suất, một đơn vị RPVC duy nhất đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 2,96%, cao hơn đáng kể so với các thiết kế RPVC hiện có. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu báo cáo công suất đầu ra là 48,9 microwatt (μW) từ một đơn vị duy nhất, với phiên bản nhiều module đạt tới 3,17 miliwatt (mW).

Nguyên mẫu cũng chứng minh dòng điện ngắn mạch là 2,23 miliampe, điện áp mạch hở là 2,14 vôn. Các nhà khoa học cho biết, họ đã thiết kế và chế tạo một RPVC đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và độ ổn định.

Đáng chú ý, khi nhóm nghiên cứu mô phỏng việc sử dụng lâu dài bằng cách chiếu xạ chùm electron lên RPVC, tương đương với 50 năm tiếp xúc với bức xạ, thiết bị cho thấy hiệu suất quang học chỉ giảm nhẹ 13,8%.

Tóm tắt những ưu điểm của khám phá này, nhóm nghiên cứu giải thích RPVC dựa trên WLC có thể đạt cả công suất đầu ra cao và độ ổn định lâu dài vượt trội, thể hiện bước tiến đáng kể trong việc thúc đẩy các ứng dụng pin hạt nhân. Theo nhóm nghiên cứu, cấu trúc WLC mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cải thiện gấp 3 lần so với cấu trúc RPVC thông thường.

Các nhà nghiên cứu kết luận trong một thông cáo báo chí, mặc dù việc sản xuất RPVC quy mô lớn vẫn còn hạn chế bởi các vấn đề như sản xuất hàng loạt và giảm chi phí đồng vị phóng xạ strontium-90, nhưng kết quả nghiên cứu đánh dấu bước tiến đáng kể trong việc thúc đẩy các ứng dụng pin hạt nhân. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications.