DE69411078T2 - Isotopenbatterien - Google Patents

Isotopenbatterien

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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/06—Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials

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Description

  • Die Erfindung betrifft Isotopenbatterien und befaßt sich insbesondere mit einer kernbetriebenen Batterie, die durch Einlagerung von Tritium in ein amorphea Halbleitermaterial, wie einem amorphen Silizium mit oder ohne Dotierstoffen, gebildet ist.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Das Wort Batterie, wie es in diesem Zusammenhang verwendet wird, betrifft eine Einheit oder Zelle oder einen verbundenen Satz gleicher Einheiten oder Zellen, die als eine elektrische Energiequelle wirken. Eine Isotopenbatterie, die auch als Atombatterie bekannt ist, betrifft eine Batterie, in der die Energiequelle die Energie ist, die in dem Kern der Atome des Kernbrennstoffs gespeichert ist. Die in dem Kern gespeicherte Kernenergie wird typischerweise auf einem von drei Wegen freigesetzt: Spaltung des Kerns, Fusion des Kerns oder radioaktiver Zerfall des Kerns. Isotopenbatterien gemäß der vorliegenden Erfindung beruhen auf einem radioaktiven Zerfall der Kerne und wandeln die freigesetzte Kernstrahlung (Beta-Teilchen) in elektrische Energie um.
  • In den letzten Jahrzehnten hat man eine Anzahl von Isotopenbatterien des Typs, der auf radioaktivem Kernzerfall beruht, auf der Grundlage eines einfachen Umwandlungsvorganges oder eines doppelten Umwandlungsvorganges entwickelt. Isotopenbatterien mit einfacher Umwandlung wandeln Kernstrahlung direkt in elektrische Energie um. Isotopenbatterien mit doppelter Umwandlung wandeln Kernstrahlungsenergie in eine Zwischenform von Energie um, die wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Isotopenbatterien des einfachen Umwandlungstyps umfassen betavoltaische Batterien, in denen ein pn-Halbleiterübergang einer Kernstrahlung ausgesetzt wird, was zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren und damit einem induzierten Strom bei geringer Spannung führt. Ein Beispiel liefern die US-Patente Nr. 2,745,973 und 4,024,420. Ein weiteres Beispiel für Isotopenbatterien mit einfachem Umwandlungsvorgang ist eine Niedrigspannungsbatterie, die das Prinzip der Gasionisation verwendet, wobei die Batterie aus einem Ionisationsgas, zwei verschiedenen Elektroden, die in dem Gasraum ein elektrisches Feld ausbilden, und einer Kernstrahlungsquelle, die entweder gasförmige oder feste Form besitzt, besteht. Noch ein weiteres Beispiel liefert eine Hochspannungsvakuumbatterie, bei der eine Elektrode die Quelle für Kernstrahlung geladener Teilchen bildet, während die andere Elektrode so ausgewählt ist, daß sie eine geringe Sekundäremission und einen hohen Sammelwirkungsgrad aufweist, wodurch man eine Niedrigstromvorrichtung mit hoher Spannung erhält.
  • Isotopenbatterien vom Typ mit doppeltem Umwandlungsvorgang umfassen photovoltaische Batterien (in denen die Kernstrahlungsenergie zuerst in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird, indem man typischerweise ein Phosphoreszenzmaterial bestrahlt und anschließend einen pn-Halbleiterübergang elektromagnetischer Strahlung aussetzt, um einen elektrischen Strom mit niedriger Spannung zu erzeugenl und thermoelektrische Batterien (in denen die Kernstrahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird, welche wiederum mit Hilfe des Seebeck-Effekts oder durch thermoelektrische Umwandlung in elektrische Energie umgewandelt wird). Beispiele für photovoltaische Isotopenbatterien sind in den US-Patenten Nr. 4,628,143, 4,900,368 und 5,008,579 offenbart.
  • Energieumwandlungsvorgänge sind im allgemeinen ziemlich uneffizient. Die Isotopenbatterien mit einfachem Umwandlungvorgang haben typischerweise Umwandlungswirkungsgrade in der Größenordnung von 5% oder weniger. Isotopenbatterien, die den doppelten Umwandlungsvorgang verwenden, sind sogar noch uneffizienter. Die praktischen Beschränkungen der betavoltaischen Halbleiterbatterien mit einfacher Umwandlung umfassen eine signifikante Schwächung der Kernstrahlungsenergie vor dem Erreichen des Halbleiters und eine weitere Schwächung der Energie, wenn sich die Kernstrahlung durch den Halbleiter auf der Strecke zu dem Verarmungsbereich ausbreitet.
  • Die DD-A-213779 offenbart eine lsotopenbatterie, bei der Tritium in einer kristallinen Halbleitermatrix eingeschlossen ist.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Energiequelle geliefert mit in einer Halbleitermatrix in der Form eines Körpers von mit Tritium behandeltem Halbleitermaterial oder mit Tritium behandelten Halbleitermaterialien eingelagertem Tritium, wobei dieser Körper einen Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ und einen Leitfähigkeitsbereich vom n-Typ mit einem pn-Übergang dazwischen hat, und Einrichtungen zur elektrischen Verbindung der Bereiche vom n-Typ und p-Typ mit einem Lastkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermatrix eine amorphe Halbleitermatrix ist und das Tritium in die amorphe Halbleitermatrix durch chemische Bindung zwischen dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien eingelagert ist.
  • Die Bereiche vom p-Typ und vom n-Typ können aus dem gleichen mit Tritium behandelten, amorphen Halbleitermaterial (zum Beispiel mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium) oder aus verschiedenen mit Tritium behandelten, amorphen Halbleitermaterialien (zum Beispiel mit Tritium behandeltem, amorphem Kohlenstoff für den Bereich vom p-Typ und mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium für den Bereich vom n-Typ) hergestellt sein.
  • Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Energiequelle geliefert mit in eine amorphe Halbleitermatrix in der Form eines Körpers von amorphem Halbleitermaterial oder amorphen Halbleitermaterialien eingelagertem Tritium, wobei der Körper einen Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ und einen Leitfähigkeitsbereich vom n-Typ sowie einen mit Tritium behandelten Leitfähigkeitsbereich vom i-Typ dazwischen unter Bildung eines pin-Übergangs hat, in welchem der Leitfähigkeitsbereich vom i-Typ durch chemische Bindung mit dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien mit Tritium behandelt ist und die Leitfähigkeitsbereiche vom p-Typ und n-Typ gegebenenfalls so mit Tritium behandelt sind, und mit Einrichtungen zur elektrischen Verbindung der Bereiche vom n-Typ und p-Typ mit einem Lastkreis.
  • Üblicherweise sind sämtliche der drei Leitfähigkeitsbereiche durch chemische Bindung zwischen dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien mit Tritium behandelt.
  • Die drei Bereiche können aus dem gleichen mit Tritium behandelten, amorphen Halbleitermaterial (zum Beispiel mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium oder Kohlenstoff) hergestellt sein. Alternativ ist der Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ aus mit Tritium behandeltem, amorphem Kohlenstoff hergestellt, und die Leitfähigkeitsbereiche vom n-Typ und vom i-Typ sind aus mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium hergestellt.
  • Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Energiequelle geliefert mit einer Halbleitermatrix mit einem Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ und einem Leitfähigkeitsbereich vom n-Typ eines kristallinen Halbleitermaterials und einem Leitfähigkeitsbereich vom i-Typ zwischen ihnen unter Bildung eines pin-Übergangs, wobei der Bereich vom i-Typ im wesentlichen aus einem mit Tritium behandelten, amorphen Halbleitermaterial besteht, und mit Einrichtungen zur elektrischen Verbindung der Bereiche vom n-Typ und p-Typ mit einem Lastkreis.
  • Vorzugsweise ist das kristalline Halbleitermaterial kristallines Silizium und das amorphe Halbleitermaterial amorphes Silizium.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine atomgetriebene Batterie mit einem Umwandlungswirkungsgrad, der über dem von derzeit verfügbaren Isotopenbatterien mit einfacher und doppelter Umwandlung liegt.
  • Vorzugsweise kann die atomgetriebene Batterie als ein integraler Bestandteil eines integrierten Schaltkreises sein und elektrische Energie für einen solchen liefern.
  • Vorzugsweise wird die atomgetriebene Batterie dazu verwendet, radioaktives Tritium, welches ein Nebenprodukt aus Kernreaktoren ist, zu immobilisieren, wobei man einen vorteilhaften Gebrauch von Tritium macht, welches in Sicherheitseinrichtungen gespeichert ist.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Es werden nun nicht beschränkende Ausführungsformen atomgetriebener Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines p/n-Homoübergangs einer betavoltaischen lsotopenbatterie, welcher unter Verwendung von amorphem Silizium, das eingeschlossenes Tritium enthält, hergestellt wurde.
  • Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines pin-Homoübergangs einer betavoltaischen Isotopenbatterie, welcher unter Verwendung von amorphem Silizium, das eingeschlossenes Tritium enthält, hergestellt wurde.
  • Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines pn-Heteroübergangs einer betavoltaischen Isotopenbatterie, welcher unter Verwendung von Tritium, das in amorphen Kohlenstoff und amorphes Silizium eingeschlossen ist, hergestellt wurde.
  • Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines pin-Heteroübergangs einer betavoltaischen Isotopenbatterie, welcher unter Verwendung von Tritium, das in amorphen Kohlenstoff und amorphes Silizium eingeschlossen ist, hergestellt wurde.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Allgemeines
  • Jede der erläuterten Ausführungsformen weist einen pn- oder pin-Übergang eines mit Tritium behandelten, amorphen Halbleiters auf. Der pn- oder pin-Übergang oder in äquivalenter Weise ein pin-Übergang, in dem der intrinsische Bereich eine Dicke aufweisen kann, die von Null bis zu einem optimalen Wert x variiert, kann unter Anwendung einer von verschiedenen handelsüblich erhältlichen Techniken hergestellt werden. Zum Beispiel kann Glühentladungszersetzung von Vorstufengasen dazu verwendet werden, die Halbleitermaterialien herzustellen.
  • Beta-Teilchen aus Tritiumzerfall überqueren einen pin-Übergang, wobei sie Energie für die Bildung von Elektron-Loch-Paaren und Bremsstrahlung verlieren. Das elektrische Feld, welches in dem Verarmungsbereich des pin-Übergangs vorhanden ist, trennt die beta-induzierten Elektron-Loch-Paare, wodurch eine "intrinsische" Isotopenbatterie entsteht, die einer betavoltaischen Batterie oder einer photovoltaischen Batterie ähnlich ist, die aber von sich aus durch Beta-Teilchen aus Tritiumzerfall und nicht von äußeren Elektronen bzw. äußeren Photonen mit Energie versorgt wird. Der Zellstrom ist direkt proportional zur Erzeugungsrate von Elektron-Loch-Paaren in dem Verarmungsbereich, während die Zellspannung durch den Unterschied zwischen der Betriebsfunktion und der Elektronenaffinität der p- und n-Bereiche gekennzeichnet ist. Der Zellstrom kann verändert werden, indem man die Dicke des intrinsischen Bereichs sowie diejenige der p- und n-Bereiche verändert, wogegen die Zellspannung durch die Konzentration von p- und n-Dotierstoffen und der Wahl der p- und n- Grundmaterialien verändert werden kann.
    • Auswahl der Materialien
  • Die bevorzugte Isotopenzelle ist ein pin-Übergang aus mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium (a-Si : T). In den vergangenen Jahres hat hydriertes, amorphes Silizium (a-Si:H) beachtliche technologische Bedeutung sowohl für großflächige optoelektronische Anwendungen als auch für die Herstellung von mikroelektronischen Einrichtungen erhalten. Von der ersten Demonstration der Durchführbarkeit einer Dotierung von hydriertem amorphem Silizium durch Spear und LeComber in Phil Mag., 1976, 33, 935 hat sich die Forschung hin zu einer großen Vielfalt an auf Silizium basierenden Legierungen ausgedehnt. Es wurde ein Anzahl verschiedener Techniken zur Herstellung von a-Si:H entwickelt, einschließlich Glühentladungs dissoziation von Silan (SiH&sub4;), reaktiver Zerstäubung oder Verdampfung von Si in einer H&sub2;&supmin; Umgebung, thermischer chemischer Dampfabscheidung (CVD) unter Verwendung von SiH&sub4; und photochemischer Dampfabscheidung und in jüngerer Zeit Elektronenzyklotronresonanz (ECR)-Plasmaabscheidung aus SiH&sub4;.
  • Viele der Lückenzustände, die in a-Si aufgrund seiner defekten Natur vorhanden sind, können durch Mischen mit Wasserstoff eliminiert werden. Es werden typischerweise 10 bis 25 Atomprozent Wasserstoff in a-Si:H eingeführt, um ein Material mit guten inneren elektronischen Eigenschaften zu erhalten. Aufgrund der geringen Dichte von Lückenzuständen in a-Si:H ist es möglich, das Material durch Dotierung zum p-Typ oder n-Typ zu machen. Es sollte angemerkt werden, daß a-Si:H routinemäßig dazu verwendet wurde, pn- oder pin-Übergänge mit einem Minimum an Rekombinationszentren herzustellen. Die praktische Wirkung einer Minimierung der Dichte an Rekombinationszentren besteht darin, die Lebensdauer des überschüssigen Trägers und damit den Isotopenzellstrom zu erhöhen. Die offene Schaltkreisspannung eines pn- oder pin-Übergangs mit einem Wasserstoffgehalt im Bereich von 10-25 Atomprozent beträgt etwa 0,7 Volt. Die offene Schaltkreisspannung kann auch erhöht werden, indem man Heteroübergänge verwendet; in Solarzellen werden typischerweise Strukturen mit a-Si: C: H vom p-Typ/a-Si: H vom i-Typ/a-Si: H vom n-Typ verwendet.
  • Amorphe Silizium-Wasserstoff-Filme, die mechanisch stabil und frei von Schuppen- oder Blasenbildung sind, mit guter Haftung an dem Substrat können gleichzeitig sowohl auf leitenden als auch auf isolierenden Substraten abgeschieden werden, indem man eine Entladung in Silan anwendet, die in einer Gleichstrom-Sattelfeld-Plasmakammer gezündet wird. Die Wasserstoffaufnahme kann durch die Abscheidungsbedingungen gesteuert werden.
  • Beispielsweise kann der relative Anteil an Wasserstoff, der in Monohydrid- und Dihydridstellen aufgenommen wird, bei einer vorgegebenen Abscheidungstemperatur über die Entladungsspannung und den Druck variiert werden: höhere Spannungen ( > 1000 Volt) und niedrigere Drücke (< 50 mTorr) erhöhen die Aufnahme von Wasserstoff in die Hydridstellen. Dies ist die derzeit bevorzugte Technik, bei der Wasserstoff durch Tritium ersetzt wird, zur Bildung von mit Tritium behandelten, amorphen Siliziumfilmschichten auf einem Substrat, um Isotopenbatterieübergänge gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Eine ausführliche Beschreibung dieser bekannten Abscheidungstechnik kann man in der EP-A-0.476.845 und in J. Vac. Sci. Technol. A, 1989, 7, 2632 (Kruzelecky et al.) finden.
  • Durch die oben erwähnten Verfahren können Isotopenzellen mit pin-Übergang aus mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium (a-Si:T) auf einem Substrat ausgebildet werden, oder es können Isotopenzellen mit verwandten Legierungen, wie amorphem Siliziumkarbid, amorphem Kohlenstoff und metallisch amorphem Halbleiter hergestellt werden. Das Material des Substrates kann Glas, kristallines Silizium, rostfreier Stahl usw. sein.
    • Die Ausführungsformen
  • In den anhängenden Zeichnungen werden durchgehend die gleichen Bezugszahlen verwendet, um einander entsprechende Teile zu bezeichnen.
  • Fig. 1 zeigt eine Isotopenzelle 11 mit pn-Übergang aus mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium, bestehend aus a-Si:T 12 von p-Typ, a-Si:T 13 vom n-Typ und elektrischen Kontaktleitern 14 und 15 zur Verbindung der zwei Bereiche 12 und 13 mit einem Lastkreis. Die Bereiche 12 und 13 haben jeweils eine Dicke in der Größenordnung eines Bruchteils eines Mikrometers (um). Der schraffierte Bereich 16 stellt das innere elektrische Feld dar, welches aus der Bildung von Verarmungsschichten aufgrund des elektrischen Kontaktes der Bereiche vom p- und n-Typ resultiert. Das innere elektrische Feld im Verarmungsbereich 16 ist durch den Vektor bezeichnet.
  • Die p- und n-Bereiche enthalten einen gleichen Anteil an Tritium. Beta-Teilchen aus Tritiumzerfall verlieren ihre Energie über den pn-Übergang zur Bildung von Elektron-Loch- Paaren. Elektron-Loch-Paare im Verarmungsbereich werden durch das innere elektrische Feld getrennt, wodurch ein Strom entsteht, der zu der Bildungsrate der Elektron-Loch-Paare proportional ist. Der Potentialunterschied der Isotopenzelle wird durch das Grundmaterial und die Dichte der Dotierungsstoffe vom n- und p-Typ bestimmt.
  • Der Isotopenzellstrom und damit die Energie kann durch Einführung eines intrinsischen a-Si:T- Bereichs in die Ausführungsform aus Fig. 1 erhöht werden. Fig. 2 zeigt solch eine Isotopenzelle, nämlich einen a-Si:T-pin-Übergang 17. Der intrinsische, undotierte a-Si:T-Bereich ist mit 18 bezeichnet. Die Dicke von 18 ist mit dem Bereich der Beta-Teilchen aus Tritiumzerfall mit mittlerer Energie (5,7 keV), der in der Größenordnung von 0,2 um liegt vergleichbar, oder größer als dieser. Der schraffierte Bereich 19 stellt das innere elektrische Feld dar, welches sich über den intrinsischen Bereich und die Verarmungsschichten in den p- und n- Bereichen erstreckt.
  • Die Isotopenzelle mit pin-Übergang aus mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium, welche in Fig. 2 gezeigt ist, stellt die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Wo es geeignet ist, können Veränderungen und Abstufungen in der Konzentration an Tritium sowie eine Veränderung der Dicke der p-, i- und n-Bereiche zu Isotopenzellen mit maximaler Energie und/oder maximalem Umwandlungswirkungsgrad führen.
  • Als ein praktisches Beispiel kann man sich einen a-Si:T-pin-Übergang vorstellen, der eine gleichmäßige Tritiumkonzentration von 20 Atomprozent enthält. Verwendet man eine Siliziumatomdichte NSI von 5 · 10²³ cm&supmin;³, eine Tritiumatomzerfallskonstante &lambda; ( = In 2/t1/2, wobei t1/2 die 12,3 Jahre lange Halbwertszeit von Tritium ist) von 1,78 · 10&supmin;&sup9; s&supmin;¹ und eine mittlere Energie von Tritiumzerfalls-Beta-Teilchen Em, von 5,7 keV, so berechnet sich die Energiedichte mit (0,2 · NSi x &lambda; x Em = ) 0,16 Wcm&supmin;³ Nimmt man an, daß 50% dieser Kernenergie über Trennung von Elektron-Loch-Paaren in elektrische Energie umgewandelt wird, erhält man eine Energiedichte von 80 mW cm&supmin;³. Wenn der intrinsische Bereich 1 um dick ist und die p- und n-Bereiche im Vergleich ziemlich dünn sind und nur wenig zum Energiefluß beitragen, erhält man weiterhin einen Energiefluß von 8 uWcm&supmin;². Verwendet man ein Zellpotential von 1 Volt, erhält man einen Zellstrom von 8 uAcm&supmin;². Dieser Strom wird nach etwa 12 Jahren auf etwa 4 uAcm&supmin;² abfallen.
  • Das vorgenannte Beispiel berechnet den Energiefluß einer einzelnen Isotopenzelle gemäß der Erfindung. Diese Zellen können in Reihe oder parallel angeordnet werden, einer für Solarzellen gut bekannten Technik, um eine Batterie mit gewünschten Strom-Spannungs-Eigenschaften zu erhalten. Mögliche Anwendungen umfassen die Aufnahme solcher Batterien in integrierte Schaltkreise, wodurch das Erfordernis vermieden wird, Leitungen einzubauen, die einen herkömmlichen integrierten Schaltkreis mit einer herkömmlichen Stromquelle verbinden.
  • Die Batterie der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit den Schaltkreisschichten vor der Verkapselung abgeschieden werden, um einen "betriebsbereiten" integrierten Schaltkreis mit einer einstückig damit verbundenen Energiequelle herzustellen. Medizinische Anwendungen, wie die Energieversorgung von Herzschrittmachern, werden ebenfalls in Erwägung gezogen.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der kommerziellen Herstellung und Verwendung von Isotopenbatterien gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung einer sicheren und brauchbaren Anwendung von Tritium, von dem sich Mengen in teurer Lagerung in Verbindung mit Kernkraftwerken, die Tritium als ein Nebenprodukt erzeugen, befinden.
  • Die oben beschriebenen pn- und pin-Isotopenzellen basieren auf einer Sorte von amorphem Halbleiter, die anderweitig als Homoübergänge bekannt sind. Der Bereich an Potential- und Stromeigenschaften von Isotopenzellen kann erheblich erweitert werden, wenn man Übergänge zwischen verschiedenen amorphen Halbleitern, die auch als Heteroübergänge bekannt sind, in Erwägung zieht.
  • Heteroübergangsisotopenzellen auf der Grundlage der Ausführungsformen von Fig. 1 und Fig. 2 sind in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Die Heteroübergangsisotopenzellen 20 und 24 bestehen in diesen Beispielen aus mit Tritium behandeltem, amorphem Kohlenstoff 21 vom p- Typ, mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium 22 vom n-Typ und intrinsischem, mit Tritium behandeltem, amorphem Silizium 25. Der intrinsische Bereich 25 könnte auch auf mit Tritium behandeltem, amorphem Siliziumkarbid oder tatsächlich einem anderen amorphen Halbleiter basieren. Die schraffierten Bereiche 23 und 26 stellen das innere elektrische Feld dar.
  • Die oben beschriebenen Isotopenbatterien werden unter Verwendung von amorphen Halbleitern hergestellt. Jedoch umfaßt die vorliegende Erfindung in ihrem Umfang auch Isotopenbatterien, die für die Bereiche vom p- und n-Typ kristalline Halbleiter, wie kristallines Silizium, und für den i-Bereich einen mit Tritium behandelten, amorphen Halbleiter, wie amorphes Silizium, verwenden. Ein besonderer Vorteil solch einer Anordnung beruht auf der größeren Diffusionslänge in kristallinen Materialien, welche eine verbesserte Fähigkeit zum Sammeln von Überschußträgern liefern. Dotierte kristalline Materialien besitzen Diffusionslängen in der Größenordnung eines Mikrometers. Daher liegen Überschußträger, die durch Beta-Teilchen aus Tritiumzerfall, die in den Kristall eindringen, erzeugt werden, bequem innerhalb der Diffusionslänge.
  • Bei den vorgenannten Ausführungsformen wird das Isotopenzellpotential im wesentlichen durch die Arbeitsfunktion oder das Fermi-Niveau der gewählten Halbleiter variiert. Das Isotopenzellpotential und damit die Energieeigenschaften können weiter durch die Verwendung von metallisch amorphen Halbleiterübergängen verlängert werden, die auch als Schottky- Barrierenübergänge bekannt sind. Die metallisch amorphen Halbleiterübergänge können weiter durch die Verwendung einer dünnen isolierenden Schicht, typischerweise einem Oxid, zwischen dem Metall und dem Halbleiter verlängert werden.

Claims (13)

1. Elektrische Energiequelle mit in einer Halbleitermatrix in der Form eines Körpers von mit Tritrium behandeltem Halbleitermaterial oder mit Tritium behandelten Halbleitermaterialien eingelagertem Tritium, wobei dieser Körper einen Leitfähigkeitsbereich (12, 21) vom p-Typ und einen Leitfähigkeitsbereich (13, 22) vom n-Typ mit einem p-n- Übergang dazwischen hat, und Einrichtungen (14, 15) zur elektrischen Verbindung der Bereiche vom n-Typ und p-Typ (12, 13, 21, 22) mit einem Lastkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermatrix eine amorphe Halbleitermatrix ist und das Tritrium in die amorphe Halbleitermatrix durch chemische Bindung zwischen dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien eingelagert ist.
2. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 1, worin der Leitfähigkeitsbereich (12) vom p-Typ und der Leitfähigkeitsbereich (13) vom n-Typ des Körpers aus dem gleichen mit Tritium behandelten amorphen Halbleitermaterial bestehen.
3. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 2, bei der das mit Tritium behandelte amorphe Halbleitermaterial mit Tritrium behandeltes amorphes Silizium ist.
4. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 1, bei der der Leitfähigkeitsbereich (21) vom p-Typ und der Leitfähigkeitsbereich (22) vom n-Typ des Körpers aus unterschiedlichen mit Tritium behandelten amorphen Halbleitermaterialien bestehen.
5. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 4, bei der der Leitfähigkeitsbereich (21) vom p-Typ aus mit Tritium behandeltem amorphem Kohlenstoff besteht und der Leitfähigkeitsbereich (22) vom n-Typ aus mit Tritium behandeltem amorphem Silizium besteht.
6. Elektrische Energiequelle mit in eine amorphe Halbleitermatrix in der Form eines Körpers von amorphem Halbleitermaterial oder amorphen Halbleitermaterialien eingelagertem Tritium, wobei der Körper einen Leitfähigkeitsbereich (12, 21) vom p-Typ und einen Leitfähigkeitsbereich (13, 22) vom n-Typ sowie einen mit Tritium behandelten Leitfähigkeitsbereich (18, 25) vom i-Typ dazwischen unter Bildung eines p-i-n- Übergangs hat, in welcher der Leitfähigkeitsbereich (78, 25) vom i-Typ durch chemische Bindung zwischen dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien mit Tritium behandelt ist und die Leitfähigkeitsbereiche (12, 13, 21, 22) vom p-Typ und n-Typ gegebenenfalls so mit Tritium behandelt sind, und mit Einrichtungen (14, 15) zur elektrischen Verbindung der Bereiche (12, 13, 21, 22) vom n-Typ und p-Typ mit einem Lastkreis.
7. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 6, bei der alle drei Leitfähigkeitsbereiche (12, 13, 18, 21, 22, 25) durch chemische Bindung zwischen dem Tritium und dem amorphen Halbleitermaterial bzw. den amorphen Halbleitermaterialien mit Tritium behandelt sind.
8. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 7, bei der der Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ (12), der Leitfähigkeitsbereich vom n-Typ (13) und der Leitfähigkeitsbereich vom i-Typ (18) aus dem gleichen mit Tritium behandelten amorphen Halbleitermaterial bestehen.
9. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 8, bei der das mit Tritium behandelte amorphe Halbleitermaterial mit Tritium behandeltes amorphes Silizium ist.
10. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 8, bei der das mit Tritium behandelte amorphe Halbleitermaterial mit Tritium behandelter amorpher Kohlenstoff ist.
11. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 7, bei der der Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ (21) aus mit Tritium behandeltem amorphem Kohlenstoff besteht und die Leitfähigkeitsbereiche vom n-Typ und i-Typ (22, 25) aus mit Tritium behandeltem amorphem Silizium bestehen.
12. Elektrische Energiequelle mit einer Halbleitermatrix mit einem Leitfähigkeitsbereich vom p-Typ und einem Leitfähigkeitsbereich vom n-Typ eines kristallinen Halbleitermaterials und einem Leitfähigkeitsbereich vom i-Typ zwischen ihnen unter Bildung eines p-i-n- Übergangs, wobei der Bereich vom i-Typ im wesentlichen aus einem mit Tritium behandelten amorphen Halbleitermaterial besteht, und mit Einrichtungen zur elektrischen Verbindung der Bereiche vom n-Typ und p-Typ mit einem Lastkreis.
13. Elektrische Energiequelle nach Anspruch 12, bei der das kristalline Halbleitermaterial kristallines Silizium ist und das amorphe Halbleitermaterial amorphes Silizium ist.
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