辐致伏特效应同位素电池和辐致光伏效应同位素电池是小型化、长寿命电池的两个研究热点,但是目前两者电学输出性能和能量转化效率均比较低。本文提出了一种基于γ放射源并耦合辐致伏特效应和辐致光伏效应两种能量转换机制的新型同位素电池方案;从多级双重效应同位素电池的结构设计、参数选择、样机制备及性能测试等方面入手开展了一系列的研究工作。主要研究内容如下:1)通过试制基于γ放射源的四级双重效应同位素电池样品,论证了采用辐致伏特效应和辐致光伏效应耦合机制提升同位素电池性能的有效性和可行性。制备了四级AlGaInP-ZnS:Cu双重效应同位素电池和四级AlGaInP辐致伏特效应同位素电池,以X射线管替代γ射线源测试它们的电学性能,四级AlGaInP-ZnS:Cu双重效应同位素电池的电学性能优于四级结构AlGaInP辐致伏特效应同位素电池;同时,采用蒙特卡罗软件MCNP5研究了各级荧光层、伏特层的能量沉积和电学性能贡献,并研究了电池伏特层串并联方式对电学输出的影响。2)研究提出一种基于薄膜三结GaAs伏特层和ZnS:Cu荧光材料的多级双重效应同位素电池优化设计方案。分析了荧光材料辐致荧光光谱与薄膜三结GaAs伏特层量子响应效率的匹配关系;采用辐致荧光光子输运模型,研究了荧光材料的自吸收与散射对出射荧光光强的影响;设计了六级双重效应同位素电池结构,并使用蒙特卡洛软件MCNP5建立了六级双重效应同位素电池的微纳结构模型,结合辐致荧光光子的输运模型对不同辐照条件下各级伏特层匹配的荧光层参数进行了优化。3)制备完成基于薄膜三结GaAs伏特层和Zn:Cu荧光材料的三级结构双重效应同位素电池样品并进行性能测试。采用微纳加工工艺制备了薄膜三结GaAs伏特层样品,并分别在黑暗条件和X射线管辐照条件下测试了伏特层的伏安特性曲线,分析了影响伏特层电学性能差异的因素,理论计算了三个伏特层的并联电阻和串联电阻以及反向饱和电流。制备基于薄膜三结GaAs伏特层和ZnS:Cu荧光材料的三级双重效应同位素电池,并在不同射线辐照条件下测试了其电学输出性能,三个伏特层的短路电流基本一致;分别把三级双重效应同位素电池中各级伏特层进行串联和并联连接,结果显示,串联结构同位素电池输出结果优于并联结构同位素电池输出结果。本文所做研究工作为基于γ射线设计制备、改进和提升多级双重效应同位素电池的电学输出性能和能量转化效率提供重要的实验依据,为该类同位素电池的研究和发展奠定了技术基础。