RU179476U1 - Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию - Google Patents
Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию Download PDFInfo
- Publication number
- RU179476U1 RU179476U1 RU2017138108U RU2017138108U RU179476U1 RU 179476 U1 RU179476 U1 RU 179476U1 RU 2017138108 U RU2017138108 U RU 2017138108U RU 2017138108 U RU2017138108 U RU 2017138108U RU 179476 U1 RU179476 U1 RU 179476U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- energy
- radiation
- beta
- silicon substrate
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 title 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N nickel-63 Chemical compound [63Ni] PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N 0.000 description 2
- 238000004347 surface barrier Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 1
- OFLYIWITHZJFLS-UHFFFAOYSA-N [Si].[Au] Chemical compound [Si].[Au] OFLYIWITHZJFLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium atom Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Использование: для преобразования энергии бета-излучения в электрическую. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию содержит монокристаллическую кремниевую подложку, диодную структуру, радиоактивный источник, при этом кремниевая подложка выполнена в виде мембраны из эпитаксиального слоя, а радиоактивный источник располагается на поверхности мембраны с двух сторон, причем толщина мембраны должна быть достаточной для полного поглощения энергии заряженных частиц используемого изотопа при обеспечении эффективного сбора электронно-дырочных пар, генерированных излучением в объеме полупроводника, при облучении структуры и со стороны заднего контакта. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения объема преобразователя, повышения плотности излучения, повышения КПД.
Description
Полезная модель относится к области создания радиоизотопных элементов питания («атомных батарей»), работающих на бета-вольтаическом эффекте. Такие виды источников имеют широкий круг применения, в частности, в медицине, в связи с чем, в целях биологической безопасности, для их создания применяются изотопы с энергией излучения бета-частиц до нескольких десятков кэВ, например, никель-63 (63Ni).
Бета-вольтаический эффект является аналогом фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электронно-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов (квантов светового излучения).
Единичный элемент бета-электрического преобразователя представляет собой полупроводник с p-n-переходом, контактирующий с радиоактивным источником бета-излучения. Образование электронно-дырочных пар происходит при кулоновском взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов кристаллической решетки. Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энергии и интенсивности потока падающих бета-частиц.
Эффективное применение бета-источников в составе генераторов напряжения или тока обусловлено несколькими причинами. Во-первых, компактность и высокая энергоемкость изотопов. По массовой и объемной энергоемкости распад бета-изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония, и др. в 4-50 раз, и превосходит химические источники (аккумуляторы, солевые и щелочные элементы питания, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз. Во-вторых, при создании источника тока или напряжение на основе радиоизотопа время непрерывной работы будет зависеть только от его периода полураспада (например, период полураспада никеля-63 составляет 100,1 года, соответственно срок службы источника на его основе составит около 50 лет). Таким образом, создание источников питания на основе долгоживущих изотопов является сегодня актуальной и перспективной задачей.
Известен радиоизотопный источник постоянного тока (RU 170474 приоритет 27.12.2016) созданной на основе диодных структур на тонких пленках из алмаза, из которых собирается атомная батарея в виде стопки из двухсот таких пленок. Между ними располагается на проводящей фольге радиоактивный изотоп. Принципиальным недостатком преобразователя на алмазе с применением радиоактивных источников с низкой энергией электронов (до 20кэВ) является большая ширина запрещенной зоны, что приводит к генерации тока недостаточной плотности для реализации основного преимущества алмаза по сравнению с кремнием - более высокого выходного напряжения на единичном элементе преобразователя. Кроме того, такая батарея будет иметь заведомо более высокую стоимость, т.к. создание алмазных эпитаксиальных слоев для получения диодных структур не освоено в массовом производстве и даже в лабораторных условиях возможно создание эпитаксиальных слоев из алмаза малой площади (до 20 мм2), что в несколько раз увеличивает количество элементов в батареи, при этом возрастает трудоемкость ее сборки.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию [RU 2452060 приоритет 27.05.2010], в котором используется пластина кремния с текстурированной структурой в виде сквозных каналов, внутри и на поверхности которых создан р-n переход. Стенки каналов и поверхность пластины покрываются 63Ni. При этом увеличивается количество нанесенного изотопа и улучшается геометрия поглощения его излучения, достигая максимального телесного угла. Недостатком данного устройства является сложность технологии и неполное использование объема полупроводника для преобразования энергии излучения.
В качестве прототипа выбран бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, описанный в изобретении [RU 2608058 приоритет 14.07.2015], состоящий из полупроводниковой пластины с развитой поверхностной структурой в виде микропор расположенных в глухих «колодцах», в которые осаждается изотоп 63Ni. Тем самым достигается увеличения количества изотопа и, соответственно, мощности батареи по сравнению с плоским вариантом.
К недостаткам этого устройства-прототипа относятся увеличенный объем полупроводникового преобразователя при сохранении плотности излучения на единицу площади перехода по сравнению с плоским вариантом преобразователя. Сложный рельеф перехода уменьшает степень надежности структуры.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение объема преобразователя, повышение плотности излучения на единицу площади перехода и максимально эффективное использование радиоактивного изотопа при создании атомных батарей, а также возможность повышения КПД преобразователя.
Поставленная задача достигается использованием устройства для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию, содержащего подложку из монокристаллического кремния, диодную структуру и радиоактивный источник. Подложка из кремния выполнена в виде мембраны из эпитаксиального слоя, а радиоактивный источник расположен на поверхности мембраны с двух сторон. Толщина мембраны должна быть не менее длины пробега электронов с максимальной энергией (для используемого изотопа) в кремнии. Верхняя граница толщины мембраны определяется параметрами эпитаксиального слоя из которого она сделана, в частности, длиной диффузии неосновных носителей, чтобы был обеспечен эффективный сбор генерированных излучением в объеме полупроводника электронно-дырочных пар в случае облучения структуры как со стороны выпрямляющего, так и заднего контактов.
Увеличение толщины мембраны упрощает технологию сборки атомной батареи, так как повышает ее механическая прочность. При этом, в случае изготовления атомной батареи в виде стопки из мембран, излучение радиоактивного источника используется с эффективностью 100%,так как возможно одновременное облучение двух соседних мембран одним источником, нанесенным на тонкой фольге или непосредственно на поверхность мембраны, по сравнению со случаем, когда задняя сторона преобразователя не чувствительна к излучению.
Следует отметить, что толщина чувствительной области, определяемая контактной разностью потенциалов и удельным сопротивлением используемого полупроводника (область пространственного заряда (ОПЗ), в которой сбор генерированных носителей происходит за счет их дрейфа в электрическом поле) будет меньше реальной эффективной толщины, которая возрастает за счет включения механизма диффузионного сбора неравновесных носителей, что в свою очередь зависит от времени жизни неосновных носителей в данном полупроводнике. Это позволяет изготавливать мембраны более толстыми по сравнению с протяженностью ОПЗ, что повышает их механическую прочность.
При использовании в атомных батареях изотопов с низкой удельной активностью и низкой энергией излучения, например, как в случае 63Ni, ограничение количество активности на единицу площади радиоактивного источника толщиной слоя, из которого возможен выход электронов, приводит к тому, что эффективная величина активности, которую возможно преобразовать в электроэнергию, для 63Ni составляет около 20 мКи/см2. Генерированная в этом случае плотность тока в преобразователе не обеспечивает достаточную величину напряжения холостого хода (XX) элемента атомной батареи. Этот недостаток в значительной степени устраняется при нанесении изотопа на заднюю сторону мембраны. В определенном диапазоне увеличение генерированной излучением плотности тока в преобразователе ведет к линейному росту напряжения XX, следствием этого является увеличение КПД преобразователя.
Устройство работает следующим образом:
Радиоактивный изотоп, нанесенный на тонкую пленку, располагается на поверхность мембраны с двух сторон. Вылетающие из него электроны попадают в чувствительную область диодной структуры, при этом в полупроводнике генерируются неравновесные носители заряда: электрон - дырочные пары. Под действием электрического поля, имеющегося в диодной структуре, неравновесные носители заряда дрейфуют в разные стороны: дырки собираются на анод, а электроны - на катоде. Таким образом полупроводниковая диодная структура непрерывно генерирует ток.
Возможность осуществления заявляемой полезной модели показано следующим примером. В качестве элемента атомной батареи использовался эпитаксиальный слой монокристаллического кремния электронного типа проводимости с удельным сопротивлением около 50 Ом⋅см. Низкоомная подложка, на которой был выращен эпитаксиальный слой, стравливалась избирательным электрохимическим травлением. В результате получалась кремниевая мембрана толщиной около 12 мкм, с неоднородностью по толщине не более 10%. На мембране создавался поверхностно-барьерный (ПБ) переход золото-кремний. Задний омический контакт образован напылением алюминия. Диаметр рабочей поверхности составлял 30 мм. Данная структура известна как полностью обедненный кремниевый детектор для регистрации заряженных частиц.
Источником электронов являлся изотоп 63Ni, который наносился на две металлические подложки в виде прямоугольников площадью 10×20 мм2, активность каждой подложки составляла 10 мКи.
Были проведены следующие измерения:
- на лицевую сторону структуры (со стороны золота) размещалась полоска с 63Ni (нанесенным слоем к золоту) и измерялся ток короткого замыкания (КЗ) при помощи микроамперметра М95. Величина тока КЗ составляла 47 нА. Затем при помощи осциллографа С1-49 с входным сопротивлением 1 МОм измерялось напряжение XX, которое составляло 10 мВ.
- описанная процедура аналогично выполнялась и для заднего контакта (со стороны алюминия). В этом варианте ток КЗ составлял 48 нА, напряжение XX - 10 мВ, т.е. с точностью до погрешности измерений результаты одинаковы - результирующий опыт заключатся в расположении полосок с 63Ni с каждой стороны кремниевой мембраны. В этом случае наблюдался суммарный ток КЗ 98 нА и удвоенное напряжение XX - 20 мВ.
Вывод:
Полученные результаты показывают примерное равенство генерируемого тока при облучении мембраны, как со стороны ПБ перехода, так и со стороны заднего омического контакта. При одновременном облучении с двух сторон происходит суммирование токов и удвоение напряжения XX.
Таким образом, показана возможность использования промышленно выпускающихся эпитаксиальных слоев кремния в качестве полупроводникового преобразователя в атомных батареях.
Claims (2)
1. Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию, содержащее монокристаллическую кремниевую подложку, диодную структуру, радиоактивный источник, отличающееся тем, что кремниевая подложка выполнена в виде мембраны из эпитаксиального слоя, а радиоактивный источник располагается на поверхности мембраны с двух сторон, причем толщина мембраны должна быть достаточной для полного поглощения энергии заряженных частиц используемого изотопа при обеспечении эффективного сбора электронно-дырочных пар, генерированных излучением в объеме полупроводника, при облучении структуры и со стороны заднего контакта.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве радиоактивного изотопа используют 63Ni.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138108U RU179476U1 (ru) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138108U RU179476U1 (ru) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU179476U1 true RU179476U1 (ru) | 2018-05-16 |
Family
ID=62151900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017138108U RU179476U1 (ru) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU179476U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820110C2 (ru) * | 2019-05-21 | 2024-05-29 | Дженэкс Энерджи Пти Лтд | Бетавольтаические устройства |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0622811A1 (en) * | 1993-04-21 | 1994-11-02 | Nazir P. Kherani | Nuclear batteries |
| US20110079791A1 (en) * | 2005-08-25 | 2011-04-07 | Cornell Research Foundation, Inc. | Betavoltaic cell |
| WO2011149619A1 (en) * | 2010-05-28 | 2011-12-01 | Medtronic, Inc. | Betavoltaic power converter die stacking |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| US9018721B1 (en) * | 2010-11-18 | 2015-04-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope |
| RU2608058C1 (ru) * | 2015-07-14 | 2017-01-12 | Андрей Александрович Мандругин | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии |
| US9685249B2 (en) * | 2014-12-22 | 2017-06-20 | Korea Atomic Energy Research Institute | Beta voltaic battery and method of preparing the same |
-
2017
- 2017-11-01 RU RU2017138108U patent/RU179476U1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0622811A1 (en) * | 1993-04-21 | 1994-11-02 | Nazir P. Kherani | Nuclear batteries |
| US20110079791A1 (en) * | 2005-08-25 | 2011-04-07 | Cornell Research Foundation, Inc. | Betavoltaic cell |
| RU2452060C2 (ru) * | 2010-05-27 | 2012-05-27 | Виталий Викторович Заддэ | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию |
| WO2011149619A1 (en) * | 2010-05-28 | 2011-12-01 | Medtronic, Inc. | Betavoltaic power converter die stacking |
| US9018721B1 (en) * | 2010-11-18 | 2015-04-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Beta voltaic semiconductor photodiode fabricated from a radioisotope |
| US9685249B2 (en) * | 2014-12-22 | 2017-06-20 | Korea Atomic Energy Research Institute | Beta voltaic battery and method of preparing the same |
| RU2608058C1 (ru) * | 2015-07-14 | 2017-01-12 | Андрей Александрович Мандругин | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820110C2 (ru) * | 2019-05-21 | 2024-05-29 | Дженэкс Энерджи Пти Лтд | Бетавольтаические устройства |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2452060C2 (ru) | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US20130154438A1 (en) | Power-Scalable Betavoltaic Battery | |
| Tang et al. | Optimization design of GaN betavoltaic microbattery | |
| Li et al. | 63 Ni schottky barrier nuclear battery of 4H-SiC | |
| US8937360B1 (en) | Beta voltaic semiconductor diode fabricated from a radioisotope | |
| Liu et al. | Theoretical prediction of diamond betavoltaic batteries performance using 63Ni | |
| RU170474U1 (ru) | Радиоизотопный источник постоянного тока | |
| Manasse et al. | Schottky barrier betavoltaic battery | |
| US8723119B2 (en) | Electric generator excited by ionizing radiations | |
| Gorbatsevich et al. | Analysis (simulation) of Ni-63 beta-voltaic cells based on silicon solar cells | |
| Xi et al. | Researches on the performance of GaN-PIN betavoltaic nuclear battery | |
| Murashev et al. | Peculiarities of betavoltaic battery based on Si | |
| Rahastama et al. | Optimization of surface passivation parameters in [147Pm]-Si planar pn junction betavoltaic based on analytical 1-D minority carrier diffusion equation approaches | |
| CN111386578A (zh) | 核微电池 | |
| RU179476U1 (ru) | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию | |
| Lin et al. | Betavoltaic battery prepared by using polycrystalline CdTe as absorption layer | |
| Xi et al. | Research on the performance of nuclear battery with SiC-schottky and GaN-PIN structure | |
| KR102134223B1 (ko) | 베타전지 | |
| Krasnov et al. | Development and investigation of silicon converter beta radiation 63Ni isotope | |
| RU2461915C1 (ru) | Ядерная батарейка | |
| GB2484028A (en) | Power-Scalable Betavoltaic Battery | |
| Polikarpov et al. | Characterization of Si convertors of beta-radiation in the scanning electron microscope | |
| RU2641100C1 (ru) | Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63 Ni и способ его получения | |
| Alam et al. | Summary of the design principles of betavoltaics and space applications |