在深空探测任务中,传统的太阳能电池不能够为航天器提供足够的能源。核电池能够将放射性同位素产生的衰变热转换为电能,工作时不受寒、热等外界环境的影响,同时具有较大的质量功率。核电池主要分为温差电池、碱金属热电转换器、斯特林发动机以及同位素热光伏系统。与其他三种核电池相比,同位素热光伏系统具有较高的理论效率,其内部均为固态部件,没有运动活塞,具有优良的可靠性。同位素热光伏系统工作方式类似于商业的光伏发电,通过低禁带宽度的光伏元件,将发射体产生的红外光子转换为电能。本文针对同位素热光伏系统,对系统的各个部件进行了设计和选取,并且对整体进行了优化,使得同位素热光伏电池的转换效率达到了最大。我们主要工作如下:1.电池的选取:对比了现有的光伏电池优缺点,考虑电池的禁带宽度、电气性能,选择了GaSb电池作为热光伏系统的换能元件,考虑到获取难度,将Si电池作为备选方案。随后依据光电转换的理论模型和公式,编写了光伏电池光电转换的Python计算程序,并且与文献进行了校验,验证了程序的正确性。2.光子晶体发射体的设计:基于已选取的GaSb和Si电池的禁带宽度和光子晶体的截止波长理论公式,预估了光子晶体选择性发射体微腔的宽度,对光子晶体的特征参数如微腔的宽度、周期和深度进行了初步设计。之后根据衍射理论,定性地确定了光子晶体发射体的优化方向,进一步优化了光子晶体微腔的宽度、周期和深度。最终,得到了截止波长与GaSb电池和Si电池禁带宽度相匹配的钨二维光子晶体选择性发射体。3.屏蔽层材料筛选:为了减少热光伏系统的辐射传热损失,对多层屏蔽层材料进行了选取,选择了Zr O2粉末作为绝热层材料,Mo作为多层屏蔽层的金属层,确保其在高温工作环境下不产生气体污染发射体和电池,同时能够较好地屏蔽热辐射,使得整个多层屏蔽材料有足够的隔热效果。4.结构材料选取:结构材料要求在高温环境下有较高的强度以及良好的蠕变抗性,一般选择耐高温的合金或者陶瓷。最终选取了MAX相材料Ta2Al C和不锈钢Inconel作为热光伏系统的支撑柱材料。其结构设计为空心圆管,在保证强度的同时,尽可能地减少传导热损失。5.系统优化:对发射体的面积进行了优化,计算得到当使用GaSb电池时,发射体的最佳面积为88.36cm~2,工作温度为1343K,此时最大转换效率为12.3%;使用Si电池时,发射体的最佳面积为29.12cm~2,工作温度为1655K,最大转换效率为1.4%。6.总结了目前同位素热光伏电池还有待解决的问题。