来源：厦门稀土材料研究中心
在深空深海等极端环境下，核电池可替代传统化石能源、太阳能实现长时间电力供给。随着深空深海探测任务（火星探测、极地信标等国家重大需求）的不断深化，同位素热光伏电池（RTPV）成为有潜力实现千瓦级大功率输出的核电池首选。目前，美国、俄罗斯、日本等国家在RTPV系统开发上处于领先地位，而我国在该领域的开发尚处于起步阶段。在RTPV系统中，选择性发射体是决定能量转换效率的关键器件之一，其作用是将热能转化为可匹配GaSb电池的辐射能，来保证RTPV系统的高转能效率和长使用寿命。目前，在已报道的选择性发射体中，光子晶体和稀土基陶瓷材料发射体占主导地位。但是为满足大功率需求服役温度将不断升高，稀土基陶瓷材料凭借结构稳定、制备工艺简单等优势，已成为选择性发射体的主流选择之一。因此，开发具有优异选择性发射性、结构稳定性、耐高温性的稀土基陶瓷选择性发射体是该领域的研究重点。
近日，中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究中心杨帆教授团队开发了一种新型稀土钽酸盐选择性发射体材料Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)。此研究选用重稀土元素Er在A位提供选择性发射，通过B位掺杂对其发射性能进行调控，所制备的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)发射体在选择性波段（1.40-1.60 μm）具有高的发射率（49%-93%）、高的光谱效率（59.46%-62.12%）和高的发射功率密度（153.5 W/(m2μm))），并且在1400 ℃下还具有优异高温稳定性。研究表明，通过B位掺杂：一方面，Nb5+可以改变重稀土Er3+周围的晶体局部结构对称性，促进Er3+的f-f跃迁，提高了选择性发射性能。另一方面，Nb5掺杂还可以改变带隙和氧空位浓度，从而抑制非选择性发射率（图1）。这种选择性与非选择性发射率的协同优化，共同推动了选择性发射体光谱效率的显著提升。因此通过使用掺杂策略有效提高了选择性发射体的选择性发射率、光谱效率及发射功率密度，为同位素热光伏系统用选择性发射体材料的开发提供了一种新策略。
此研究开发的Er(Ta1-xNbx)O4 (0≤x≤0.2)选择性发射体在PV可转化发射功率、光谱效率、耐高温等性能上均优于其他选择性发射体材料（图1），而且不需要复杂的结构设计，在同位素热光伏选择性发射体领域具有很好的应用前景。
相关成果以《A potential thermophotovoltaic emitter Er(Ta1-xNbx)O4 (0 ≤ x ≤ 0.2) with excellent selective emission performance》为题，发表在《Journal of Advanced Ceramics》上。厦门稀土材料研究中心硕士研究生马梦通、杨帆研究员分别为第一作者和通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及先进能源与技术广东省实验室的支持。
原论文链接：DOI: 10.26599/JAC.2025.9221072