本发明公开了一种基于碳纳米管薄膜的三维异质结同位素电池及其制备方法。该同位素电池的换能结构包括衬底、背电极、以及图形化的绝缘层和绝缘层上的正面电极；换能结构衬底的正面具有三维阵列结构，表面沉积有碳纳米管薄膜；碳纳米管薄膜与衬底的接触部分形成异质结，与正面电极形成欧姆接触；源结构包括衬底和衬底表面的放射性同位素膜；源结构和换能结构对准封接在一起，二者相接触的部位之间电学隔离，而源结构的放射性同位素膜和换能结构的异质结相对，位于封接形成的空腔内。该同位素电池中的三维结构有效增大了器件作用面积，提高了器件性能；碳纳米管薄膜与其他半导体材料接触形成的异质结提高了同位素电池的转换效率。