JP2922779B2 - 核バッテリー - Google Patents
核バッテリーInfo
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- JP2922779B2 JP2922779B2 JP6082786A JP8278694A JP2922779B2 JP 2922779 B2 JP2922779 B2 JP 2922779B2 JP 6082786 A JP6082786 A JP 6082786A JP 8278694 A JP8278694 A JP 8278694A JP 2922779 B2 JP2922779 B2 JP 2922779B2
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- tritiated
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- G—PHYSICS
- 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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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
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- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
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- Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Steroid Compounds (AREA)
Description
【０００１】本発明は核バッテリーに関し、特にトリチ
ウムの様なベータ−放出性放射性元素を、ドーピング剤
を含む、または含まない無定形シリコンの様な無定形半
導体材料のマトリックス中に閉じ込めることにより形成
される核エネルギーバッテリーに関する。しかし本発明
は、電気エネルギーを発生させるためのエネルギー性電
子または他のエネルギー性の原子構成粒子の供給源とし
てトリチウム以外の放射性元素を使用する核バッテリー
にも適用できる。
ウムの様なベータ−放出性放射性元素を、ドーピング剤
を含む、または含まない無定形シリコンの様な無定形半
導体材料のマトリックス中に閉じ込めることにより形成
される核エネルギーバッテリーに関する。しかし本発明
は、電気エネルギーを発生させるためのエネルギー性電
子または他のエネルギー性の原子構成粒子の供給源とし
てトリチウム以外の放射性元素を使用する核バッテリー
にも適用できる。
【０００２】本文で使用するバッテリーの用語は、電気
エネルギー供給源として作用する、類似の単位または電
池の、１個または接続された一群を意味する。原子力バ
ッテリーとも呼ばれる核バッテリーは、エネルギー源が
燃料の原子核の中に貯蔵されているエネルギーであるバ
ッテリーを意味する。核の中に貯蔵されている核エネル
ギーは、一般的に、核分裂、核融合、または核の放射性
崩壊、の３種類の方法のいずれかにより放出される。本
発明の核バッテリーは核の放射性崩壊に依存し、放出さ
れた核放射（ベータ粒子、アルファ粒子、ガンマ放射）
を電気エネルギーに変換する。
エネルギー供給源として作用する、類似の単位または電
池の、１個または接続された一群を意味する。原子力バ
ッテリーとも呼ばれる核バッテリーは、エネルギー源が
燃料の原子核の中に貯蔵されているエネルギーであるバ
ッテリーを意味する。核の中に貯蔵されている核エネル
ギーは、一般的に、核分裂、核融合、または核の放射性
崩壊、の３種類の方法のいずれかにより放出される。本
発明の核バッテリーは核の放射性崩壊に依存し、放出さ
れた核放射（ベータ粒子、アルファ粒子、ガンマ放射）
を電気エネルギーに変換する。
【０００３】過去数十年の間に、核放射性崩壊に依存す
る、単変換方式または複変換方式の多くの核バッテリー
が開発されている。単変換核バッテリーは、核放射を直
接電気エネルギーに変換する。複変換核バッテリーは、
核放射エネルギーを中間形態のエネルギーに変換し、こ
れをさらに電気エネルギーに変換している。
る、単変換方式または複変換方式の多くの核バッテリー
が開発されている。単変換核バッテリーは、核放射を直
接電気エネルギーに変換する。複変換核バッテリーは、
核放射エネルギーを中間形態のエネルギーに変換し、こ
れをさらに電気エネルギーに変換している。
【０００４】単変換型の核バッテリーにはベータボルタ
バッテリーがあるが、そこでは半導体ｐ−ｎ接合が核放
射に露出されることにより、電子孔の対が形成され、低
電圧の電流が誘導される。その例は米国特許第２，７４
５，９７３号および第４，０２４，４２０号に記載され
ている。単変換法式核バッテリーの別の例は、ガスイオ
ン化原理を利用する低電圧バッテリーであり、そこでは
バッテリーがイオン化ガス、ガス空間中に電界を形成す
る２個の異なった電極、および気体または固体状の核放
射源からなる。さらに別の例は高電圧の真空バッテリー
であり、そこでは一方の電極が帯電粒子核放射の供給源
を形成し、他方の電極が、低二次放出および高収集効率
を有する様に選択されており、それによって高電圧、低
電流装置を形成している。
バッテリーがあるが、そこでは半導体ｐ−ｎ接合が核放
射に露出されることにより、電子孔の対が形成され、低
電圧の電流が誘導される。その例は米国特許第２，７４
５，９７３号および第４，０２４，４２０号に記載され
ている。単変換法式核バッテリーの別の例は、ガスイオ
ン化原理を利用する低電圧バッテリーであり、そこでは
バッテリーがイオン化ガス、ガス空間中に電界を形成す
る２個の異なった電極、および気体または固体状の核放
射源からなる。さらに別の例は高電圧の真空バッテリー
であり、そこでは一方の電極が帯電粒子核放射の供給源
を形成し、他方の電極が、低二次放出および高収集効率
を有する様に選択されており、それによって高電圧、低
電流装置を形成している。
【０００５】複変換方式の核バッテリーには、光ボルタ
バッテリー（一般的にリン光物質に放射することにより
核放射エネルギーをまず電磁放射に変換し、次いで半導
体ｐ−ｎ接合を電磁放射に露出して低電圧電流を発生さ
せる）および熱電気バッテリー（核放射を熱エネルギー
に変換し、次いでゼーベック効果または熱電気変換によ
り、この熱エネルギーを電気エネルギーに変換する）が
ある。核／光ボルタバッテリーの例は、米国特許第４，
６２８，１４３号、第４，９００，３６８号、および第
５，００８，５７９号に記載されている。
バッテリー（一般的にリン光物質に放射することにより
核放射エネルギーをまず電磁放射に変換し、次いで半導
体ｐ−ｎ接合を電磁放射に露出して低電圧電流を発生さ
せる）および熱電気バッテリー（核放射を熱エネルギー
に変換し、次いでゼーベック効果または熱電気変換によ
り、この熱エネルギーを電気エネルギーに変換する）が
ある。核／光ボルタバッテリーの例は、米国特許第４，
６２８，１４３号、第４，９００，３６８号、および第
５，００８，５７９号に記載されている。
【０００６】エネルギー変換過程は一般的に極めて不十
分である。単変換方式核バッテリーの変換効率は一般的
に５％以下のオーダーである。複変換方式を使用する核
バッテリーはさらに不十分である。単変換ベータボルタ
式半導体バッテリーに関する実際的な制約は、半導体に
達する前に核放射エネルギーが著しく減衰し、核放射が
半導体を通って伝わるにつれ、空乏領域の途中でさらに
エネルギーが減衰することにある。
分である。単変換方式核バッテリーの変換効率は一般的
に５％以下のオーダーである。複変換方式を使用する核
バッテリーはさらに不十分である。単変換ベータボルタ
式半導体バッテリーに関する実際的な制約は、半導体に
達する前に核放射エネルギーが著しく減衰し、核放射が
半導体を通って伝わるにつれ、空乏領域の途中でさらに
エネルギーが減衰することにある。
【０００７】そこで本発明の目的は、従来の単および複
変換核バッテリーより優れた変換効率を有する核エネル
ギーバッテリーを提供することである。
変換核バッテリーより優れた変換効率を有する核エネル
ギーバッテリーを提供することである。
【０００８】本発明の別の目的は、集積回路の一体化し
た部品として形成し、その回路に電気エネルギーを供給
できる核バッテリーを提供することである。
た部品として形成し、その回路に電気エネルギーを供給
できる核バッテリーを提供することである。
【０００９】本発明のもうひとつの目的は、原子炉の副
生成物である放射性トリチウムを無定形のシリコンマト
リックス中に固定することにより、安全な設備に貯蔵さ
れたトリチウムを効果的に使用する、有利な核バッテリ
ーを提供することである。
生成物である放射性トリチウムを無定形のシリコンマト
リックス中に固定することにより、安全な設備に貯蔵さ
れたトリチウムを効果的に使用する、有利な核バッテリ
ーを提供することである。
【００１０】上記の制約を乗り越え、上記の目的を達成
するために、無定形半導体材料の形態の無定形半導体マ
トリックス中に閉じ込められた放射性元素を含み、ｐ型
導電性領域およびｎ型導電性領域、およびその間の半導
体接合または領域を有する電気エネルギー供給源を提供
する。ｎ型およびｐ型領域を負荷回路に電気的に接続す
る手段が備えられている。
するために、無定形半導体材料の形態の無定形半導体マ
トリックス中に閉じ込められた放射性元素を含み、ｐ型
導電性領域およびｎ型導電性領域、およびその間の半導
体接合または領域を有する電気エネルギー供給源を提供
する。ｎ型およびｐ型領域を負荷回路に電気的に接続す
る手段が備えられている。
【００１１】半導体接合は、ｐおよびｎ（領域）の間に
固有(intrinsic) 領域を有するｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ
型のいずれかでよい。本発明の好ましい実施態様では、
無定形半導体材料は無定形シリコンであり、そのマトリ
ックスの中に放射性核種、好ましくはトリチウムが閉じ
込められており、半導体接合がｐ−ｉ−ｎ接合である。
固有(intrinsic) 領域を有するｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ
型のいずれかでよい。本発明の好ましい実施態様では、
無定形半導体材料は無定形シリコンであり、そのマトリ
ックスの中に放射性核種、好ましくはトリチウムが閉じ
込められており、半導体接合がｐ−ｉ−ｎ接合である。
【００１２】以下に、本発明の核バッテリーへの応用を
添付の図面を参照しながら実施例により説明するが、こ
れらの実施例は本発明を限定するものではない。
添付の図面を参照しながら実施例により説明するが、こ
れらの実施例は本発明を限定するものではない。
【００１３】好ましい実施態様の説明 概論 本発明は、トリチウム発電式核バッテリーに使用する場
合、本質的にトリチウム化した無定形半導体のｐ−ｎま
たはｐ−ｉ−ｎ接合を基礎としている。ｐ−ｎまたはｐ
−ｉ−ｎ接合、または固有領域の厚さがゼロからある最
適な値ｘまで変化し得るｐ−ｉ−ｎ接合は、市販の技術
のひとつを使用して形成することができる。例えば、前
駆物質ガスのグロー放電分解を使用して半導体材料を製
造することができる。
合、本質的にトリチウム化した無定形半導体のｐ−ｎま
たはｐ−ｉ−ｎ接合を基礎としている。ｐ−ｎまたはｐ
−ｉ−ｎ接合、または固有領域の厚さがゼロからある最
適な値ｘまで変化し得るｐ−ｉ−ｎ接合は、市販の技術
のひとつを使用して形成することができる。例えば、前
駆物質ガスのグロー放電分解を使用して半導体材料を製
造することができる。
【００１４】トリチウム崩壊ベータ粒子は本発明のｐ−
ｉ−ｎ接合を横断し、エネルギーを失って電子孔対およ
び制動放射を形成する。ｐ−ｉ−ｎ接合の空乏領域に存
在する電界がベータ誘導された電子孔対を分離して「固
有」核バッテリーを与え、このバッテリーは、ベータボ
ルタバッテリーまたは光ボルタバッテリーに類似してい
るが、それぞれ外部の電子または外部の光子ではなく、
本質的にトリチウム崩壊ベータ粒子により電力を発生す
る。電池電流は減衰領域における電子孔対の生産速度に
正比例するのに対し、電池電圧はｐおよびｎ領域の仕事
関数および電子親和力の差により特徴付けられる。電池
電流は、固有領域ならびにｐおよびｎ領域の厚さを変え
ることにより変えられるのに対し、電池電圧は、ｐおよ
びｎドーピング剤の濃度により、およびホストｐおよび
ｎ物質の選択により変えることができる。
ｉ−ｎ接合を横断し、エネルギーを失って電子孔対およ
び制動放射を形成する。ｐ−ｉ−ｎ接合の空乏領域に存
在する電界がベータ誘導された電子孔対を分離して「固
有」核バッテリーを与え、このバッテリーは、ベータボ
ルタバッテリーまたは光ボルタバッテリーに類似してい
るが、それぞれ外部の電子または外部の光子ではなく、
本質的にトリチウム崩壊ベータ粒子により電力を発生す
る。電池電流は減衰領域における電子孔対の生産速度に
正比例するのに対し、電池電圧はｐおよびｎ領域の仕事
関数および電子親和力の差により特徴付けられる。電池
電流は、固有領域ならびにｐおよびｎ領域の厚さを変え
ることにより変えられるのに対し、電池電圧は、ｐおよ
びｎドーピング剤の濃度により、およびホストｐおよび
ｎ物質の選択により変えることができる。
【００１５】材料の選択 好ましい核電池はトリチウム化した無定形シリコン（ａ
−Ｓｉ：Ｔ）ｐ−ｉ−ｎ接合である。近年では、水素化
された無定形シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）が、大面積オプ
トエレクトロニック用途およびマイクロエレクトロニッ
クデバイスの製造の両方にとって技術的に著しく重要に
なっている。Spear およびLeComberによりPhil Mag., 1
976, 33, 935で水素化無定形シリコンをドーピングする
有用性が最初に立証されて以来、多種多様のＳｉ系合金
の研究が行われている。ａ−Ｓｉ：Ｈの製造には、シラ
ン（ＳｉＨ4 ）のグロー放電解離、Ｈ2 雰囲気中におけ
るＳｉの反応性スパッタリングまたは蒸発、ＳｉＨ4 を
使用する熱化学蒸着（ＣＶＤ）および光化学蒸着、より
最近ではＳｉＨ4 からの電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）プラズマ堆積を含む多くの異なった技術が開発され
ている。
−Ｓｉ：Ｔ）ｐ−ｉ−ｎ接合である。近年では、水素化
された無定形シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）が、大面積オプ
トエレクトロニック用途およびマイクロエレクトロニッ
クデバイスの製造の両方にとって技術的に著しく重要に
なっている。Spear およびLeComberによりPhil Mag., 1
976, 33, 935で水素化無定形シリコンをドーピングする
有用性が最初に立証されて以来、多種多様のＳｉ系合金
の研究が行われている。ａ−Ｓｉ：Ｈの製造には、シラ
ン（ＳｉＨ4 ）のグロー放電解離、Ｈ2 雰囲気中におけ
るＳｉの反応性スパッタリングまたは蒸発、ＳｉＨ4 を
使用する熱化学蒸着（ＣＶＤ）および光化学蒸着、より
最近ではＳｉＨ4 からの電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）プラズマ堆積を含む多くの異なった技術が開発され
ている。
【００１６】その欠陥性のためにａ−Ｓｉ中に存在する
ギャップ状態の多くは水素と合金化することにより除去
できる。一般的に、１０〜２５原子％の水素をａ−Ｓ
ｉ：Ｈの中に導入して良好な固有電子特性を有する材料
を得る。ａ−Ｓｉ：Ｈにおけるギャップ状態の密度は低
いので、ドーピングにより材料をｐ型またはｎ型にする
ことができる。無論、ａ−Ｓｉ：Ｈは、再結合中心が最
も少ないｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合を製造するのに日
常的に使用されている。再結合中心の密度を最小に抑え
ることの実際の効果は、過剰キャリヤー寿命を、したが
って核電池電流を増加することである。水素含有量が１
０〜２５原子％であるｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合の開
放回路電圧は約０．７ボルトである。開放回路電圧は、
ヘテロ接合を使用しても増加させることができ、一般的
に太陽電池ではｐ型ａ−Ｓｉ：Ｃ：Ｈ／ｉ型ａ−Ｓｉ：
Ｈ／ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ構造が使用される。
ギャップ状態の多くは水素と合金化することにより除去
できる。一般的に、１０〜２５原子％の水素をａ−Ｓ
ｉ：Ｈの中に導入して良好な固有電子特性を有する材料
を得る。ａ−Ｓｉ：Ｈにおけるギャップ状態の密度は低
いので、ドーピングにより材料をｐ型またはｎ型にする
ことができる。無論、ａ−Ｓｉ：Ｈは、再結合中心が最
も少ないｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合を製造するのに日
常的に使用されている。再結合中心の密度を最小に抑え
ることの実際の効果は、過剰キャリヤー寿命を、したが
って核電池電流を増加することである。水素含有量が１
０〜２５原子％であるｐ−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合の開
放回路電圧は約０．７ボルトである。開放回路電圧は、
ヘテロ接合を使用しても増加させることができ、一般的
に太陽電池ではｐ型ａ−Ｓｉ：Ｃ：Ｈ／ｉ型ａ−Ｓｉ：
Ｈ／ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ構造が使用される。
【００１７】機械的に安定しており、フレーク形成や発
泡がなく、基材に対する密着性が良好な無定形シリコン
−水素フィルムは、ｄ．ｃ．サドルフィールドプラズマ
チェンバー中で燃焼させたシラン中の放電を使用するこ
とにより、導電性および絶縁性基材の両方の上に同時に
堆積させることができる。水素の取り込みは、堆積条件
により制御することができる。例えば、一定の堆積温度
で、一水素化物および二水素化物の箇所に取り込まれる
水素の相対的な量は、放電電圧および圧力により変化さ
せることができ、電圧が高い程（＞１０００Ｖ）および
圧力が低い程（＜５０mTorr)、二水素化物箇所への水素
の取り込みが強化される。これは、水素をトリチウムで
置き換えることにより、基材上にトリチウム化した無定
形シリコンフィルムの層を形成して本発明の核バッテリ
ー接合を製造するのに好ましい技術である。この公知の
堆積技術は、どちらもここに参考として含める本出願者
の米国特許第５，１１８，９５１号およびJ. Vac. Sci.
Technol. A, 1989, 7, 2632(Kruzelecky ら）に詳細に
説明されている。
泡がなく、基材に対する密着性が良好な無定形シリコン
−水素フィルムは、ｄ．ｃ．サドルフィールドプラズマ
チェンバー中で燃焼させたシラン中の放電を使用するこ
とにより、導電性および絶縁性基材の両方の上に同時に
堆積させることができる。水素の取り込みは、堆積条件
により制御することができる。例えば、一定の堆積温度
で、一水素化物および二水素化物の箇所に取り込まれる
水素の相対的な量は、放電電圧および圧力により変化さ
せることができ、電圧が高い程（＞１０００Ｖ）および
圧力が低い程（＜５０mTorr)、二水素化物箇所への水素
の取り込みが強化される。これは、水素をトリチウムで
置き換えることにより、基材上にトリチウム化した無定
形シリコンフィルムの層を形成して本発明の核バッテリ
ー接合を製造するのに好ましい技術である。この公知の
堆積技術は、どちらもここに参考として含める本出願者
の米国特許第５，１１８，９５１号およびJ. Vac. Sci.
Technol. A, 1989, 7, 2632(Kruzelecky ら）に詳細に
説明されている。
【００１８】上記の方法により、トリチウム化された無
定形シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｔ）ｐ−ｉ−ｎ接合核電池を
基材上に形成するか、あるいは無定形炭化ケイ素、無定
形炭素、および金属−無定形半導体の様な関連する合金
を含む核電池を形成することができる。基材の材料はガ
ラス、結晶性シリコン、ステンレス鋼、等でよい。
定形シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｔ）ｐ−ｉ−ｎ接合核電池を
基材上に形成するか、あるいは無定形炭化ケイ素、無定
形炭素、および金属−無定形半導体の様な関連する合金
を含む核電池を形成することができる。基材の材料はガ
ラス、結晶性シリコン、ステンレス鋼、等でよい。
【００１９】
【実施例】添付の図面中、全体を通して対応する部品に
は同じ番号を使用している。
は同じ番号を使用している。
【００２０】図１は、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｔ １２、ｎ型ａ
−Ｓｉ：Ｔ １３、および２つの領域１２および１３を
負荷回路に接続する電気接触リード線１４および１５か
らなるトリチウム化された無定形シリコンｐ−ｎ接合核
電池１１を示す。領域１２および１３はそれぞれミクロ
ン（μm ）のオーダーの厚さを有する。斜線領域１６
は、ｐおよびｎ型領域の接触により空乏層が形成される
ために生じる内部電界を表す。空乏層１６中の内部電界
をベクトルεで表す。
−Ｓｉ：Ｔ １３、および２つの領域１２および１３を
負荷回路に接続する電気接触リード線１４および１５か
らなるトリチウム化された無定形シリコンｐ−ｎ接合核
電池１１を示す。領域１２および１３はそれぞれミクロ
ン（μm ）のオーダーの厚さを有する。斜線領域１６
は、ｐおよびｎ型領域の接触により空乏層が形成される
ために生じる内部電界を表す。空乏層１６中の内部電界
をベクトルεで表す。
【００２１】ｐおよびｎ領域はトリチウムの均一な部分
を含む。トリチウム崩壊によるベータ粒子が、ｐ−ｎ接
合全体を通してそのエネルギーを失い、電子孔対を形成
する。空乏領域内部の電子孔対は内部電界により分離さ
れることにより、電子孔対の形成速度に比例する電流を
与える。核電池の電位差は、ホスト材料およびｎおよび
ｐ型ドーピング剤の密度により決定される。
を含む。トリチウム崩壊によるベータ粒子が、ｐ−ｎ接
合全体を通してそのエネルギーを失い、電子孔対を形成
する。空乏領域内部の電子孔対は内部電界により分離さ
れることにより、電子孔対の形成速度に比例する電流を
与える。核電池の電位差は、ホスト材料およびｎおよび
ｐ型ドーピング剤の密度により決定される。
【００２２】核電池電流、したがって電力は、図１の実
施態様に固有ａ−Ｓｉ：Ｔ領域を導入することにより、
増加させることができる。図２は、その様な核電池、ａ
−Ｓｉ：Ｔｐ−ｉ−ｎ接合１７を示す。固有の、ドーピ
ングしていないａ−Ｓｉ：Ｔ領域を１８で示す。１８の
厚さは、平均エネルギー（５．７ keV) トリチウム崩壊
ベータ線の、すなわち０．２μm のオーダーの範囲と同
等またはそれより大きい。斜線領域１９は、ｐおよびｎ
領域の固有領域および空乏層を横切って伸びる内部電界
である。
施態様に固有ａ−Ｓｉ：Ｔ領域を導入することにより、
増加させることができる。図２は、その様な核電池、ａ
−Ｓｉ：Ｔｐ−ｉ−ｎ接合１７を示す。固有の、ドーピ
ングしていないａ−Ｓｉ：Ｔ領域を１８で示す。１８の
厚さは、平均エネルギー（５．７ keV) トリチウム崩壊
ベータ線の、すなわち０．２μm のオーダーの範囲と同
等またはそれより大きい。斜線領域１９は、ｐおよびｎ
領域の固有領域および空乏層を横切って伸びる内部電界
である。
【００２３】図２に示すトリチウム化された無定形シリ
コンｐ−ｉ−ｎ接合核電池は、本発明の現在好ましい実
施態様を代表している。トリチウム濃度の変化、および
適当であれば段階により、ならびにｐ、ｉ、およびｎ領
域の厚さの変化により、最大電力および／または最大変
換効率を有する核電池を形成することができる。
コンｐ−ｉ−ｎ接合核電池は、本発明の現在好ましい実
施態様を代表している。トリチウム濃度の変化、および
適当であれば段階により、ならびにｐ、ｉ、およびｎ領
域の厚さの変化により、最大電力および／または最大変
換効率を有する核電池を形成することができる。
【００２４】実際的な例として、２０原子％の一様なト
リチウム濃度を含むａ−Ｓｉ：Ｔｐ−ｉ−ｎ接合を考え
ることができる。５ｘ１０23cm-3のケイ素原子密度
ＮSi、トリチウム原子崩壊定数λ（＝ｌｎ２／ｔ1/2 、
ここでｔ1/2 はトリチウムの１２．３年の半減期であ
る）１．７８ｘ１０-9ｓ-1、およびトリチウム崩壊ベー
タの平均エネルギーＥm ５．７ keVを使用すると、電力
密度は（０．２＊ＮSi＊λ＊Ｅm ＝）０．１６ Wcm-3と
計算される。電子孔対の分離により、この核エネルギー
の５０％が電気エネルギーに変換されると仮定して、８
０mWcm-3の電力密度が得られる。さらに、固有領域の厚
さが１μm であり、ｐおよびｎ領域がこれと比較してか
なり薄く、電力束にあまり貢献しない場合、電力束は８
μW cm-2になる。１ボルトの電池電位を使用して、電池
電流は８μA cm-2となる。この電流は、約１２年後に約
４μA cm-2となる。
リチウム濃度を含むａ−Ｓｉ：Ｔｐ−ｉ−ｎ接合を考え
ることができる。５ｘ１０23cm-3のケイ素原子密度
ＮSi、トリチウム原子崩壊定数λ（＝ｌｎ２／ｔ1/2 、
ここでｔ1/2 はトリチウムの１２．３年の半減期であ
る）１．７８ｘ１０-9ｓ-1、およびトリチウム崩壊ベー
タの平均エネルギーＥm ５．７ keVを使用すると、電力
密度は（０．２＊ＮSi＊λ＊Ｅm ＝）０．１６ Wcm-3と
計算される。電子孔対の分離により、この核エネルギー
の５０％が電気エネルギーに変換されると仮定して、８
０mWcm-3の電力密度が得られる。さらに、固有領域の厚
さが１μm であり、ｐおよびｎ領域がこれと比較してか
なり薄く、電力束にあまり貢献しない場合、電力束は８
μW cm-2になる。１ボルトの電池電位を使用して、電池
電流は８μA cm-2となる。この電流は、約１２年後に約
４μA cm-2となる。
【００２５】上記の例は、本発明の単一の核電池の電力
束を計算している。これらの電池は太陽電池で良く知ら
れている様に直列または並列に重ね合わせ、所望の電流
−電圧特性を有するバッテリーを得ることができる。可
能性のある用途として、その様なバッテリーを集積回路
に取り入れることにより、従来の集積回路を従来の電源
に接続するリード線を構築する必要がなくなる。
束を計算している。これらの電池は太陽電池で良く知ら
れている様に直列または並列に重ね合わせ、所望の電流
−電圧特性を有するバッテリーを得ることができる。可
能性のある用途として、その様なバッテリーを集積回路
に取り入れることにより、従来の集積回路を従来の電源
に接続するリード線を構築する必要がなくなる。
【００２６】本発明のバッテリーを回路層と共に堆積さ
せてからカプセル収容し、電源を一体化した「即使用可
能な」集積回路を製造することができる。心臓ペースメ
ーカーの電源の様な医療用途も考えられる。
せてからカプセル収容し、電源を一体化した「即使用可
能な」集積回路を製造することができる。心臓ペースメ
ーカーの電源の様な医療用途も考えられる。
【００２７】本発明の好ましい実施態様による核バッテ
リーを商業的に製造および使用することの副次的な利点
は、原子力発電所で副生物として生じ、貯蔵に経費がか
かるトリチウムの安全で好都合な用途が生まれることで
ある。
リーを商業的に製造および使用することの副次的な利点
は、原子力発電所で副生物として生じ、貯蔵に経費がか
かるトリチウムの安全で好都合な用途が生まれることで
ある。
【００２８】上記のｐ−ｎおよびｐ−ｉ−ｎ核電池は、
ホモ接合とも呼ばれる１種類の無定形半導体を基材とし
ている。核電池の電圧および電流の範囲は、ヘテロ接合
とも呼ばれる異なった無定形半導体間の接合を考えれ
ば、飛躍的に広げることができる。
ホモ接合とも呼ばれる１種類の無定形半導体を基材とし
ている。核電池の電圧および電流の範囲は、ヘテロ接合
とも呼ばれる異なった無定形半導体間の接合を考えれ
ば、飛躍的に広げることができる。
【００２９】図１および図２の実施態様に基づくヘテロ
接合核電池を図３および図４に示す。これらの例におけ
るヘテロ接合核電池２０および２４は、ｐ型トリチウム
化無定形炭素２１、ｎ型トリチウム化無定形シリコン２
２、および固有トリチウム化無定形シリコン２５からな
る。固有領域２５もトリチウム化無定形炭化ケイ素また
は他の無定形半導体を基材とすることができる。斜線領
域２３および２６は内部電界を表す。
接合核電池を図３および図４に示す。これらの例におけ
るヘテロ接合核電池２０および２４は、ｐ型トリチウム
化無定形炭素２１、ｎ型トリチウム化無定形シリコン２
２、および固有トリチウム化無定形シリコン２５からな
る。固有領域２５もトリチウム化無定形炭化ケイ素また
は他の無定形半導体を基材とすることができる。斜線領
域２３および２６は内部電界を表す。
【００３０】上記の核バッテリーは無定形半導体を使用
して形成されている。しかし、本発明はその範囲内に、
結晶性半導体、例えばｐおよびｎ型領域用に結晶性シリ
コン、およびｉ領域用に無定形シリコンのようなトリチ
ウム化無定形半導体を使用する核バッテリーも含む。そ
の様な構造の利点は、特に結晶性材料中の拡散長が大き
く、過剰のキャリヤーを収集する能力が改良されること
である。ドーピングした結晶性材料は、ミクロンオーダ
ーの拡散長を有する。したがって、結晶中に入るトリチ
ウム崩壊ベータにより生じた過剰キャリヤーは、十分に
拡散長の中にある。
して形成されている。しかし、本発明はその範囲内に、
結晶性半導体、例えばｐおよびｎ型領域用に結晶性シリ
コン、およびｉ領域用に無定形シリコンのようなトリチ
ウム化無定形半導体を使用する核バッテリーも含む。そ
の様な構造の利点は、特に結晶性材料中の拡散長が大き
く、過剰のキャリヤーを収集する能力が改良されること
である。ドーピングした結晶性材料は、ミクロンオーダ
ーの拡散長を有する。したがって、結晶中に入るトリチ
ウム崩壊ベータにより生じた過剰キャリヤーは、十分に
拡散長の中にある。
【００３１】本発明に含まれる別の構造的変形は、ｐ
ｎ ｉ型領域のいずれか１つ、または３つ全部を形成す
る材料として、トリチウム化微結晶シリコンμｃ−Ｓ
ｉ：Ｔの様な微結晶半導体を使用する核バッテリーであ
る。例えばａ−Ｓｉ：Ｔの中性子照射により形成される
トリチウム化微結晶シリコンμｃ−Ｓｉ：Ｔは、無定形
シリコンよりも効果的にドーピングされ、トリチウム化
無定形シリコンと同等のトリチウム保持特性を有する点
で、結晶性およびトリチウム化無定形シリコンの両方の
長所を示す。
ｎ ｉ型領域のいずれか１つ、または３つ全部を形成す
る材料として、トリチウム化微結晶シリコンμｃ−Ｓ
ｉ：Ｔの様な微結晶半導体を使用する核バッテリーであ
る。例えばａ−Ｓｉ：Ｔの中性子照射により形成される
トリチウム化微結晶シリコンμｃ−Ｓｉ：Ｔは、無定形
シリコンよりも効果的にドーピングされ、トリチウム化
無定形シリコンと同等のトリチウム保持特性を有する点
で、結晶性およびトリチウム化無定形シリコンの両方の
長所を示す。
【００３２】上記の実施態様において、核電池の電位は
実質的に選択した半導体の仕事関数またはフェルミ準位
により変化する。核電池電位、したがって電力特性は、
ショットキー障壁接合とも呼ばれる金属−無定形半導体
接合を使用することにより、さらに拡大することができ
る。 これらの金属−無定形半導体接合は、金属と半導
体の間に薄い、一般的に酸化物の絶縁層を使用すること
により、さらに拡張することができる。
実質的に選択した半導体の仕事関数またはフェルミ準位
により変化する。核電池電位、したがって電力特性は、
ショットキー障壁接合とも呼ばれる金属−無定形半導体
接合を使用することにより、さらに拡大することができ
る。 これらの金属−無定形半導体接合は、金属と半導
体の間に薄い、一般的に酸化物の絶縁層を使用すること
により、さらに拡張することができる。
【００３３】トリチウムの代わりに他の放射性同位元素
を使用する無定形半導体系の核電池も製造できる。例え
ば、上記の電池中で、トリチウムを14Ｃで置き換えるこ
とができる。あるいは、無定形炭素中の12Ｃ原子の一定
原子部分を14Ｃで置き換えることもできよう。
を使用する無定形半導体系の核電池も製造できる。例え
ば、上記の電池中で、トリチウムを14Ｃで置き換えるこ
とができる。あるいは、無定形炭素中の12Ｃ原子の一定
原子部分を14Ｃで置き換えることもできよう。
【００３４】本発明の電気エネルギー供給源の好ましい
実施態様、および別の実施態様をここに記載したが、無
論、本発明の精神からそれることなく、ｎおよびｐ型導
電性領域、その間の半導体接合または領域、および閉じ
込められた放射性元素を構成する材料の選択にさまざま
な変形を行うことができる。したがって、本発明の範囲
は、上記の実施態様ではなく、請求項に記載されてい
る。
実施態様、および別の実施態様をここに記載したが、無
論、本発明の精神からそれることなく、ｎおよびｐ型導
電性領域、その間の半導体接合または領域、および閉じ
込められた放射性元素を構成する材料の選択にさまざま
な変形を行うことができる。したがって、本発明の範囲
は、上記の実施態様ではなく、請求項に記載されてい
る。
【００３５】
【図１】閉じ込められたトリチウムを含む無定形シリコ
ンを使用して製造したベータボルタ核電池のｐ−ｎホモ
接合を示す断面図である。
ンを使用して製造したベータボルタ核電池のｐ−ｎホモ
接合を示す断面図である。
【図２】閉じ込められたトリチウムを含む無定形シリコ
ンを使用して製造したベータボルタ核電池のｐ−ｉ−ｎ
ホモ接合を示す断面図である。
ンを使用して製造したベータボルタ核電池のｐ−ｉ−ｎ
ホモ接合を示す断面図である。
【図３】トリチウムが閉じ込められた無定形炭素および
無定形シリコンを使用して製造したベータボルタ核電池
のｐ−ｎヘテロ接合を示す断面図である。
無定形シリコンを使用して製造したベータボルタ核電池
のｐ−ｎヘテロ接合を示す断面図である。
【図４】トリチウムが閉じ込められた無定形炭素および
無定形シリコンを使用して製造したベータボルタ核バッ
テリーのｐ−ｉ−ｎヘテロ接合を示す断面図である。
無定形シリコンを使用して製造したベータボルタ核バッ
テリーのｐ−ｉ−ｎヘテロ接合を示す断面図である。
１１ トリチウム化無定形シリコンｐ−ｎ接合核電池 １２ ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｔ領域 １３ ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｔ領域 １４ 電気接触リード線 １５ 電気接触リード線 １６ 空乏層 １７ ａ−Ｓｉ：Ｔｐ−ｉ−ｎ接合 １８ 固有非ドーピングａ−Ｓｉ：Ｔ領域 ２０ ヘテロ接合核電池 ２１ ｐ型トリチウム化無定形炭素 ２２ ｎ型トリチウム化無定形シリコン ２４ ヘテロ接合核電池 ２５ 固有トリチウム化無定形シリコン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォルター ティー．シュマイダ カナダ国，エル４シー ６ピー８，オン タリオ，キング シティー，ボックス 17（番地なし) (56)参考文献 特開 平２−15681（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−158176（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−286471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−16675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−32281（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−101095（ＪＰ，Ａ) 東独国特許出願公開213779（ＤＤ, Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/09 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (15)
- 【請求項１】 トリチウムと無定形半導体材料との間の
化学結合によって無定形半導体材料がトリチウム化され
ている本体の形態でトリチウムが無定形半導体マトリク
ス内に包含されており、該本体がｐ型導電性領域および
ｎ型導電性領域を有し且つ該ｐ型導電性領域と該ｎ型導
電性領域との間に半導体接合を伴っており、また、該ｎ
型導電性領域および該ｐ型導電性領域を負荷回路に電気
的に接続する手段を含んで成ることを特徴とする、電気
エネルギー供給源。 - 【請求項２】 前記半導体接合がｐ−ｎ接合であること
を特徴とする請求項１の電気エネルギー供給源。 - 【請求項３】 物体の前記ｐ型導電性領域および前記ｎ
型導電性領域が同じ無定形半導体材料からなることを特
徴とする請求項２の電気エネルギー供給源。 - 【請求項４】 前記無定形半導体材料が無定形シリコン
であることを特徴とする請求項３の電気エネルギー供給
源。 - 【請求項５】 物体の前記ｐ型導電性領域および前記ｎ
型導電性領域が異なった無定形半導体材料からなること
を特徴とする請求項２の電気エネルギー供給源。 - 【請求項６】 前記ｐ型導電性領域がトリチウム化無定
形炭素からなり、前記ｎ型導電性領域がトリチウム化無
定形シリコンからなることを特徴とする請求項５の電気
エネルギー供給源。 - 【請求項７】 トリチウムと無定形半導体材料との間の
化学結合によってｉ型導電性領域がトリチウム化されま
た該化学結合によってｐ型導電性領域およびｎ型導電性
領域が任意にトリチウム化されている本体の形態でトリ
チウムが無定形半導体マトリクス内に包含されており、
該本体がｐ型導電性領域およびｎ型導電性領域を有しさ
らに該ｐ型導電性領域と該ｎ型導電性領域との間にｉ型
導電性領域を有してｐ−ｉ−ｎ接合を形成しており、ま
た、該ｎ型導電性領域と該ｐ型導電性領域を負荷回路に
電気的に接続する手段を含んで成ることを特徴とする、
電気エネルギー供給源。 - 【請求項８】 前記ｐ型導電性領域、前記ｎ型導電性領
域および前記ｉ型導電性領域が同じ無定形半導体材料か
らなることを特徴とする請求項７の電気エネルギー供給
源。 - 【請求項９】 前記無定形半導体材料が無定形シリコン
であることを特徴とする請求項８の電気エネルギー供給
源。 - 【請求項１０】 前記ｐ型導電性領域、前記ｎ型導電性
領域および前記ｉ型導電性領域が異なった無定形半導体
材料からなることを特徴とする請求項７の電気エネルギ
ー供給源。 - 【請求項１１】 前記ｐ型導電性領域がトリチウム化無
定形炭素からなり、前記ｎ型およびｉ型導電性領域がト
リチウム化無定形シリコンからなることを特徴とする請
求項７の電気エネルギー供給源。 - 【請求項１２】 トリチウムと無定形半導体材料との間
の化学結合によって無定形半導体がトリチウム化されて
いる本体の形態でトリチウムが無定形半導体マトリクス
内に包含されており、該本体がｐ型導電性領域およびｎ
型導電性領域、およびそれらの間にあって実質的にトリ
チウム化無定形半導体から成るｉ型導電性領域を有して
ｐ−ｉ−ｎ接合を形成しており、また、該ｎ型導電性領
域および該ｐ型導電性領域を負荷回路に電気的に接続す
る手段を含んで成ることを特徴とする、電気エネルギー
供給源。 - 【請求項１３】 前記結晶性半導体材料が結晶性シリコ
ンであり、前記無定形半導体材料が無定形シリコンであ
ることを特徴とする請求項１２の電気エネルギー供給
源。 - 【請求項１４】 トリチウムと微結晶半導体材料との間
の化学結合によって微結晶半導体材料がトリチウム化さ
れている本体の形態でトリチウムが微結晶半導体材料に
包含されており、それぞれトリチウム化された微結晶半
導体材料から成るｐ型、ｎ型およびｉ型導電性領域によ
って形成されるｐ−ｉ−ｎ接合と、該ｎ型導電性領域お
よび該ｐ型導電性領域を負荷回路に電気的に接続する手
段とを含んで成ることを特徴とする、電気エネルギー供
給源。 - 【請求項１５】 トリチウムと無定形半導体との間の化
学結合によって無定形半導体がトリチウム化されている
本体の形態でトリチウムがマトリクス内に包含されてお
り、該本体がｐ型導電性領域、ｎ型導電性領域およびそ
れらの間にあるｉ型導電性領域から形成されてｐ−ｉ−
ｎ接合を形成するマトリクス、および該ｎ型およびｐ型
領域を負荷回路に接続する手段を含んで成る、電気エネ
ルギー源であって、該ｐ型およびｎ型導電性領域の各々
は金属性の、結晶性半導体および無定形半導体で構成さ
れる群から選択される材料から成り、そして該ｉ型導電
性領域はトリチウム化された無定形半導体およびトリチ
ウム化された微結晶半導体で構成される群から選択され
るトリチウム化された半導体材料で形成されることを特
徴とする、電気エネルギー供給源。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US4930593A | 1993-04-21 | 1993-04-21 | |
| US49305 | 1993-04-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0794772A JPH0794772A (ja) | 1995-04-07 |
| JP2922779B2 true JP2922779B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=21959126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6082786A Expired - Fee Related JP2922779B2 (ja) | 1993-04-21 | 1994-04-21 | 核バッテリー |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5606213A (ja) |
| EP (1) | EP0622811B1 (ja) |
| JP (1) | JP2922779B2 (ja) |
| AT (1) | ATE167590T1 (ja) |
| CA (1) | CA2120295C (ja) |
| DE (1) | DE69411078T2 (ja) |
| DK (1) | DK0622811T3 (ja) |
| ES (1) | ES2122165T3 (ja) |
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