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    在深空深海等極端環(huán)境下，核電池可替代傳統(tǒng)化石能源、太陽能實現(xiàn)長時間電力供給。隨著深空深海探測任務(wù)（火星探測、極地信標(biāo)等國家重大需求）的不斷深化，同位素?zé)峁夥姵兀≧TPV）成為有潛力實現(xiàn)千瓦級大功率輸出的核電池首選。目前，美國、俄羅斯、日本等國家在RTPV系統(tǒng)開發(fā)上處于領(lǐng)先地位，而我國在該領(lǐng)域的開發(fā)尚處于起步階段。在RTPV系統(tǒng)中，選擇性發(fā)射體是決定能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵器件之一，其作用是將熱能轉(zhuǎn)化為可匹配GaSb電池的輻射能，來保證RTPV系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)能效率和長使用壽命。目前，在已報道的選擇性發(fā)射體中，光子晶體和稀土基陶瓷材料發(fā)射體占主導(dǎo)地位。但是為滿足大功率需求服役溫度將不斷升高，稀土基陶瓷材料憑借結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制備工藝簡單等優(yōu)勢，已成為選擇性發(fā)射體的主流選擇之一。因此，開發(fā)具有優(yōu)異選擇性發(fā)射性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐高溫性的稀土基陶瓷選擇性發(fā)射體是該領(lǐng)域的研究重點。

　　近日，中國科學(xué)院海西研究院廈門稀土材料研究中心楊帆教授團(tuán)隊開發(fā)了一種新型稀土鉭酸鹽選擇性發(fā)射體材料Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)。此研究選用重稀土元素Er在A位提供選擇性發(fā)射，通過B位摻雜對其發(fā)射性能進(jìn)行調(diào)控，所制備的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)發(fā)射體在選擇性波段（1.40-1.60 μm）具有高的發(fā)射率（49%-93%）、高的光譜效率（59.46%-62.12%）和高的發(fā)射功率密度（153.5 W/(m2μm))），并且在1400 ℃下還具有優(yōu)異高溫穩(wěn)定性。研究表明，通過B位摻雜：一方面，Nb5+可以改變重稀土Er3+周圍的晶體局部結(jié)構(gòu)對稱性，促進(jìn)Er3+的f-f躍遷，提高了選擇性發(fā)射性能。另一方面，Nb5摻雜還可以改變帶隙和氧空位濃度，從而抑制非選擇性發(fā)射率（圖1）。這種選擇性與非選擇性發(fā)射率的協(xié)同優(yōu)化，共同推動了選擇性發(fā)射體光譜效率的顯著提升。因此通過使用摻雜策略有效提高了選擇性發(fā)射體的選擇性發(fā)射率、光譜效率及發(fā)射功率密度，為同位素?zé)峁夥到y(tǒng)用選擇性發(fā)射體材料的開發(fā)提供了一種新策略。

　　此研究開發(fā)的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)選擇性發(fā)射體在PV可轉(zhuǎn)化發(fā)射功率、光譜效率、耐高溫等性能上均優(yōu)于其他選擇性發(fā)射體材料（圖1），而且不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在同位素?zé)峁夥x擇性發(fā)射體領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

圖1  Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)選擇性發(fā)射體機(jī)理分析及性能對比

　　相關(guān)成果以《A potential thermophotovoltaic emitter Er(Ta1-xNbx)O4 (0 ≤ x ≤ 0.2) with excellent selective emission performance》為題，發(fā)表在《Journal of Advanced Ceramics》上。廈門稀土材料研究中心碩士研究生馬夢通、楊帆研究員分別為第一作者和通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃及先進(jìn)能源與技術(shù)廣東省實驗室的支持。