RU2608058C1 - Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии - Google Patents
Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2608058C1 RU2608058C1 RU2015128489A RU2015128489A RU2608058C1 RU 2608058 C1 RU2608058 C1 RU 2608058C1 RU 2015128489 A RU2015128489 A RU 2015128489A RU 2015128489 A RU2015128489 A RU 2015128489A RU 2608058 C1 RU2608058 C1 RU 2608058C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- beta
- wells
- voltaic
- nickel
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 14
- PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N nickel-63 Chemical compound [63Ni] PXHVJJICTQNCMI-RNFDNDRNSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 abstract description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 17
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 17
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 5
- CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N Strontium-90 Chemical compound [90Sr] CIOAGBVUUVVLOB-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 4
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- VQMWBBYLQSCNPO-NJFSPNSNSA-N promethium-147 Chemical compound [147Pm] VQMWBBYLQSCNPO-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 3
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 description 2
- 230000005255 beta decay Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000080590 Niso Species 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000002314 autoradiolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-RNFDNDRNSA-N cesium-137 Chemical compound [137Cs] TVFDJXOCXUVLDH-RNFDNDRNSA-N 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N dodecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCC(O)=O POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 1
- 230000005258 radioactive decay Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
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
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей. Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии содержит полупроводниковую пластину с развитой поверхностной структурой, содержащей макропоры, представляющие собой глухие отверстия-«колодцы», и слой никеля-63, покрывающий полупроводниковую пластину, при этом в глухих отверстиях-«колодцах», на их боковой поверхности, образованы микропоры в виде боковых камер, при этом никель-63 покрывает поверхностную структуру и остальную часть поверхности пластины полупроводника слоем 0.03-0.05 нм. Стенки глухих микропор и «колодцев» имеют произвольную фрактальность, форму и объемы камер расширения, выполнены с помощью локальной лазерной деструкции. Изобретение обеспечивает возможность формирования бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей. Предлагается конструкция полупроводникового устройства для прямого преобразования бета-излучения в электроэнергию. Батарея электропитания состоит из радиоактивного источника, испускающего бета-частицы с достаточно большой кинетической энергией, изолятора, сквозь который эти электроны проходят, и коллектора, собирающего электроны. Зажимы, предусмотренные на радиоактивном источнике и на коллекторе, служат внешними выводами батареи. Поскольку электроны уходят с электрода радиоактивного источника, на нем возникает положительный заряд. Накапливаясь на коллекторном электроде, электроны заряжают его отрицательным зарядом. В результате между двумя электродами создается ЭДС. Если к двум внешним выводам батареи присоединить провод, то по нему потечет ток от коллектора к радиоактивному эмиттеру. Такие батареи электропитания обладают большими значениями ЭДС и удельной энергоемкости. Радиоактивное вещество нанесено на пластину из полупроводника с развитой поверхностью. Текстурированная поверхность пластины полупроводника содержит большое количество пор и каналов, а радиоактивное вещество нанесено на стенки пор и каналов, а также и на остальную часть поверхности пластины полупроводника. Изобретение обеспечивает возможность упрощения способа создания устройства, снижения стоимости изготовления бета-вольтаического генератора, а также повышения его удельной мощности и надежности в эксплуатации.
Предлагаемый генератор является основным первичным элементом, из которых путем соответствующих коммутаций могут собираться батареи бесперебойного электропитания со сроком службы 50 и более лет, безопасные в обращении и работоспособные независимо от условий окружающей среды, исключая физическое разрушение.
Наиболее полно поставленным задачам отвечают батареи, работающие на бета-вольтаическом эффекте. Работа бета-вольтаического преобразователя основана на том, что излученные при распаде радионуклида электроны или позитроны высоких энергий, попадая в область p-n-перехода полупроводниковой пластины, генерируют там электронно-дырочную пару, которая затем пространственно разделяется областью пространственного заряда (ОПЗ). Вследствие этого на n- и p-поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов. Принципиально механизм преобразования напоминает тот, который реализован в полупроводниковых солнечных батареях, но с заменой фотонного облучения на облучение электронами или позитронами - продуктами распада радионуклидов.
Первые работы по бета-вольтаическим преобразователям с использованием стронция-90 относятся к середине 50-х годов XX столетия [Rappaport R.I., Lofersky J.J., Linder E.G. A study program of possible uses principle. Nucleonic. 1957. vol. 15, р. 99]. Энергия электронов, испускаемых стронцием-90, составляет 546 кэВ. Эта величина почти вдвое превышает порог радиационных повреждений кристаллической структуры полупроводника, вследствие чего происходит неизбежная деградация p-n-перехода. Вторым недостатком преобразователя, использующего радионуклид стронция-90, является довольно высокий уровень вредного для человека проникающего гамма-излучения, что требует создания громоздкой радиационной защиты. Исследования преобразователей с использованием прометия-147 и трития, наносимых на плоскую поверхность полупроводниковых структур из кремния, проводились в 1975 г. [Гусев В.В., Кодюков В.М., Почтаков А.А., Пустовалов А.А. Радиационная техника. М.: Атомиздат, 1975, вып. 11, с. 61-67]. Особенностью преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую энергию в данном случае является то, что используется кремниевый полупроводник с p-n-переходом. Недостатком конструкций с прометием-147 является непродолжительный срок службы, обусловленный малым периодом полураспада этого радионуклида (2,64 года). Труднопреодолимая проблема, связанная с распадом прометия-147 по параллельным путям, приводящая к образованию дочерних радиоактивных атомов, порождает нежелательные радиационные эффекты.
В последние годы в научной литературе появился ряд сообщений о бета-вольтаическом эффекте на кремнии с применением радионуклида никеля-63, энергетические параметры которого существенно превышают энергию бета-излучения трития [Pchelintseva Ye.S. Modelirovaniye I issledovaniye betavoltaicheskogo effekta na kremniyevykh pin strukturakh: Dissertatsiya k.f-m.n., Ulyanovsk: UlGU Publ., 2011; Nagornov Yu.S. Sovremennyye aspekty primeneniya betavoltaicheskogo effekta. Ulyanovsk, 2012]. Выбор изотопов, обладающих бета-распадом с приемлемым временем жизни и уровнем энергии бета-распада, ограничивается всего несколькими радионуклидами - тритий, никель-63, стронций-90, цезий-137 и кадмий-113m. Проведенный анализ физических свойств радионуклидов и расчет параметров позволили сделать следующие выводы:
1. В ряду радионуклидов наиболее перспективным на сегодняшний день с точки зрения повышения удельной мощности преобразователей является никель-63, имеющий период полураспада 100,1 год.
2. Среди известных и доступных полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия, карбид кремния, кремниевые пористые материалы, наиболее выгодным из числа перечисленных по эксплуатационным характеристикам является последний.
Одним из путей повышения удельной электрической мощности преобразователя может быть увеличение площади поверхности диодной структуры, покрытой источником бета-излучения. Для этого используется текстурирование пластин кремния. Этот прием использован в следующей работе [Заддэ В.В., Пустовалов А.А., Пустовалов С.А., Цветков Л.А., Цветков С.Л. Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию. Патент №2452060, 10.12.2011 г.]. Задачей цитированного изобретения является упрощение способа и снижение стоимости изготовления бета-преобразователя, повышение его удельной электрической мощности и надежности в эксплуатации. Указанная задача решается тем, что в полупроводниковом преобразователе бета-излучения в электроэнергию, содержащем пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру, на которую наносят слой радионуклида (никеля-63, трития), создают и формируют особым способом. Текстурированная диодная поверхность выполняется в виде множества узких цилиндрических сквозных пор, вертикально расположенных, проникающих сквозь весь p-слой полупроводникового диода. Слой радионуклида (никеля-63, трития) покрывает стенки пор и остальную часть поверхности пластины полупроводника. Использование макропористой структуры для изготовления бета-вольтаического генератора связано с технологическими трудностями формирования диодной структуры и возможностью нанесения радиоактивных слоев в узких сквозных порах. Вместе с тем, в результате таких мероприятий увеличивается стоимость изготовления бета-преобразователя, а реально образующаяся неравномерность толщины слоев снижает срок его службы, нанесение множества узких сквозных пор уменьшает механическую прочность пластины полупроводника.
Наиболее близким к предложенному бета-вольтаическому полупроводниковому генератору электроэнергии является источник, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на данной поверхности. В объеме пластины создается пористая структура, состоящая из узких пор и глухих «колодцев», залегающих на разной глубине матрицы [By Wei Sun, N.P. Kherani et. al. Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaic and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233.]. Создание пор и «колодцев» на поверхности матрицы формируют условия для увеличения поверхности, на которую можно нанести источник излучения. Такая структура именуется макропористой и характеризуется тем, что глубина пор и «колодцев» во много раз больше их поперечного размера.
Существующий прототип обладает весьма ограниченными характеристиками, такими как малая энергоемкость, ограниченный срок службы из-за низкой прочности полупроводниковой матрицы, трудоемкость создания конструкции.
Недостатком этой конструкции является сложность формирования диодной структуры и создания полноценного покрытия из никеля-63 в узких и глубоких «колодцах», образующих текстурированную поверхность пластин кремния. Это связано с тем, что диффузия атомов радионуклида в узкие поры и «колодцы», расположенные на поверхности, затруднена из-за их малых размеров. В результате стоимость изготовления бета-вольтаического преобразователя оказывается высокой, а его эффективность низкой. Стандартные методы электрохимического травления кремниевой поверхности, применяющиеся при изготовлении пористого материала из кремниевой матрицы, используют для этих целей фторсодержащие материалы. Фтороводород, являющийся активным началом реакции травления, при данном изготовлении полупроводниковой матрицы проникает в стенки образующихся микропор и колодцев полупроводникового диода, разрушая ее. Это приводит к «разрыхлению» материала и, как следствие, к утрате механической прочности изделия. Этот важный фактор следует учитывать при прогнозировании долговечности материалов, образующихся с использованием метода электрохимического травления. Кроме того, следует учитывать, что на стенки микропор бета-вольтаического полупроводникового преобразователя наносится радионуклид никеля-63 с максимально высоким содержанием радиоактивности. Разрушение полупроводникового материала происходит весьма быстро за счет авторадиолиза под воздействием бета-частиц радионуклида. Учитывать этот фактор необходимо, поскольку речь идет о создании на основе такой кремниевой матрицы длительно работающих электронных устройств.
С целью создания полупроводниковых пластин кремния с развитой поверхностью для изготовления бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии предлагается использовать метод локальной лазерной деструкции. Метод локальной лазерной деструкции, предлагаемый к использованию в данном изобретении, является современным. наиболее подходящим способом для формирования текстурированной поверхности пластин из кремния. Этот метод позволяет создавать поры и «колодцы» в объеме кремниевой матрицы требуемых размеров и глубины залегания. Кроме того, данным способом можно создавать специальные камеры расширения и горизонтальные проходы в теле полупроводниковой матрицы, без утраты ею механических свойств. Метод позволяет осуществлять контроль за объемом и географией расположения камер и горизонтальных проходов. Метод локальной лазерной деструкции лишен недостатков, типичных для способа электрохимического травления кремниевых материалов. Следует отметить, что ранее метод локальной лазерной деструкции для изготовления пористых полупроводниковых матриц, для изготовления бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии не применялся.
При создании новых бета-вольтаических генераторов электроэнергии с расширенными энергетическими возможностями следует учитывать, что дополнительное повышение удельной мощности бета-вольтаического генератора может достигаться тем, что диаметр, глубина, численность и объем микропор и «колодцев», количество боковых «камер» в них могут изменяться с целью максимального увеличения площади поверхности путем создания нового пористого кремниевого полупроводникового материала. В данном случае стенки макропор и глухих «колодцев» могут быть сформированы без потери механической прочности матрицы и иметь нужные объем и текстурированность (фрактальность). Размеры пор должны быть достаточными для обеспечения попадания в них радиоактивного никеля путем диффузии. Кроме того, следует особо отметить, что повышение удельной мощности бета-вольтаического генератора достигается оптимизацией глубины залегания «колодцев» в p-слое, а также увеличением эффективного ОПЗ в зоне p-n-перехода, образующегося в кремниевой матрице.
В настоящем изобретении поставлена задача создания бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия.
С целью создания полупроводниковых пластин кремния с развитой поверхностью для изготовления бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии был использован метод локальной лазерной деструкции.
Данная задача решается следующим образом.
Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностной структурой, содержащей макропоры, представляющие собой глухие отверстия-«колодцы», и слой никеля-63, покрывающий полупроводниковую пластину, отличающийся тем, что в глухих отверстиях-«колодцах», на их боковой поверхности образованы микропоры в виде боковых камер, при этом никель-63 покрывает поверхностную структуру и остальную часть поверхности пластины полупроводника слоем 0.03-0.05 нм.
В бета-вольтаическом полупроводниковом генераторе электроэнергии, согласно изобретению стенки пор и глухие отверстия-«колодцы» имеют заданную фрактальность, форму, объемы камер расширения и лежат на определенном, заранее заданном расстоянии от p-n-перехода пластины полупроводника, выполнены с помощью локальной лазерной деструкции.
Эффективное применение бета-источников в составе бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии обусловлено его конструкцией и поясняется с помощью рис. 1-3.
На рис. 1 схематично изображена предлагаемая конструкция единичного элемента питания полупроводникового бета-вольтаического генератора электроэнергии с применением радионуклида никеля-63. При рассмотрении устройства сделаны допущения о том, что, во-первых, порядка 50% бета-частиц излучаемых Ni-63? попадает на поверхность кремниевой пластины. Во-вторых, предполагается, что около 90% бета-частиц переходит в объем кремниевой пластины, а 10% излучаемых бета-частиц составляют потери. На рис. 2 и 3 представлены результаты исследования поверхности методом сканирующей электронной микроскопии образцов макропористого кремния, полученные методом лазерной деструкции (слева - вид сбоку, рис. 2; справа - вид сверху, рис. 3).
Бета-вольтаический генератор состоит из диодной пластины (рис. 1), поверхность которой содержит отверстия-«колодцы» требуемой формы. На расчетной глубине в «колодцах» расположены камеры-расширения, задача которых состоит в увеличении рабочих объемов и фрактальности пор - «колодцев» (рис. 2 и 3). С использованием метода лазерной деструкции рабочие объемы пор - «колодцев» могут быть увеличены на 30-40%, что определяется конструктивными особенностями и задачами, возникающими при при создании полупроводникового бета-вольтаического генератора электроэнергии.
Поверхность диодной пластины покрыта токопроводящим слоем 0.03-0.05 нм радионуклида никеля-63 (позиция 3, рис. 1), выполняющим роль токосъемного контакта и являющимся источником бета-частиц. Толщина слоя определяется длиной максимального пробега бета-частиц в слое никеля. В базовой области полупроводник расположен на стальной пластине, которая является вторым коллекторным контактом бета-вольтаического генератора (позиция 1). В теле диодной пластины на определенной глубине расположен p-n-переход (позиция 2).
Создание микропор и отверстий-«колодцев» на поверхности позволяет многократно увеличивать активную площадь поверхности полупроводника, покрытой слоем радионуклида, что ведет к повышению мощности бета-вольтаического полупроводникового генератора. Глубина залегания, увеличение объемов «колодцев» за счет создания боковых камер в них существенно влияют на ток генерации. Для формирования структуры с максимальным выходным током необходимо, чтобы ширина пор составляла 20-40 нм, длина порядка 400-600 нм, с глубиной залегания (в области максимальной генерации ОПЗ) 100-250 нм.
На рис. 2 и 3 показано расположение камер-расширений в микропорах и колодцах, задача которых состоит в увеличении рабочих объемов и фрактальности поверхности полупроводника.
Конструкцию бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии предлагается создавать следующим образом.
Для изготовления пластины пористого полупроводника используют микрокристаллический кремний. Поверхность пластин обрабатывают методом локальной лазерной деструкции по специальной компьютерной программе на лазерном сканере. По определенной схеме наносят на поверхность микропоры и глухие «колодцы», снабженные камерами расширения нужного объема и залегающие на требуемой глубине. Создают поры на поверхности полупроводника с размерами: ширина - 20÷40 нм, длина - 400÷600 нм и глубина - 100÷250 нм. В зависимости от требований можно получать 2500-3000 пор на площади 1 см2.
С целью создания токопроводящего слоя поверхность полупроводниковой пластины покрывают металлическим никелем. Для этого пластину помещают при температуре 80-100°С и перемешивании в течение 24 час в раствор, содержащий 1 М NiSO4, 2,5 М NH4F, а также 0,7 М додецилат сульфата натрия при pH 5,6 [С. Xu et. al. Journal of the Electrochemical Society. 2007, 154, D170-174]. Далее торцевые и базовые стороны пластины покрывают полимерной защитной пленкой и помещают в раствор Ni-63 (с удельной радиоактивностью 7,5 Ки/г) при тех же условиях, указанных ранее. Специально выбранные температурный и временной интервалы создают благоприятные условия для получения равномерного распределения Ni-63 по пористой поверхности полупроводникового диода. Использование нерадиоактивного металлического никеля значительно упрощает методику равномерного нанесения радиоактивного никеля на поверхность, что существенно способствует увеличению ЭДС бета-вольтаического генератора электроэнергии. Процесс завершается снятием защитной пленки. Рабочий этап изготовления бета-вольтаического генератора электроэнергии завершается прикреплением контактов - коллекторного к базовой стороне полупроводника и к стороне, покрытой никелем.
При работе генератора бета-вольтаический эффект возникает благодаря попаданию бета частиц в область пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода, где встроенное электрическое поле разделяет генерированные носители заряда, в результате чего возникает наведенный потенциал, так же как это происходит в фотовольтаических генераторах при облучении светом. В случае если р-- и n+-области замкнуть накоротко или через внешнее сопротивление нагрузки, в цепи потечет ток. Таким образом, генерируемая энергия может быть использована в электрических схемах.
Claims (2)
1. Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностной структурой, содержащей макропоры, представляющие собой глухие отверстия-«колодцы», и слой никеля-63, покрывающий полупроводниковую пластину, отличающийся тем, что в глухих отверстиях-«колодцах», на их боковой поверхности, образованы микропоры в виде боковых камер, при этом никель-63 покрывает поверхностную структуру и остальную часть поверхности пластины полупроводника слоем 0.03-0.05 нм.
2. Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что стенки пор и глухие отверстия-«колодцы» имеют заданную фрактальность, форму, объемы камер расширения и лежат на определенном, заранее заданном расстоянии от p-n-перехода пластины полупроводника, выполнены с помощью локальной лазерной деструкции.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128489A RU2608058C1 (ru) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128489A RU2608058C1 (ru) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2608058C1 true RU2608058C1 (ru) | 2017-01-12 |
Family
ID=58455991
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015128489A RU2608058C1 (ru) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2608058C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179476U1 (ru) * | 2017-11-01 | 2018-05-16 | Акционерное общество "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6774531B1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-10 | Betabatt, Inc. | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material |
| 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 |
| US20120186637A1 (en) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | Medtronic, Inc. | High-energy beta-particle source for betavoltaic power converter |
-
2015
- 2015-07-14 RU RU2015128489A patent/RU2608058C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6774531B1 (en) * | 2003-01-31 | 2004-08-10 | Betabatt, Inc. | Apparatus and method for generating electrical current from the nuclear decay process of a radioactive material |
| 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 |
| US20120186637A1 (en) * | 2011-01-20 | 2012-07-26 | Medtronic, Inc. | High-energy beta-particle source for betavoltaic power converter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| By Wei Sun et al, Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaic and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233.. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179476U1 (ru) * | 2017-11-01 | 2018-05-16 | Акционерное общество "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2452060C2 (ru) | Полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию | |
| US8866152B2 (en) | Betavoltaic apparatus and method | |
| US11798703B2 (en) | Radiation powered devices comprising diamond material and electrical power sources for radiation powered devices | |
| KR20120071241A (ko) | 베타소스로부터 전류를 생성하는 적층형 베타전지 및 그 제작방법 | |
| Bao et al. | Betavoltaic performance of radiation-hardened high-efficiency Si space solar cells | |
| CN103996734A (zh) | 一种荧光层、该荧光层的制备方法及其在核电池中的应用 | |
| RU2704321C2 (ru) | Система электрического генератора | |
| Guo et al. | Betavoltaic microbatteries using porous silicon | |
| Gorbatsevich et al. | Analysis (simulation) of Ni-63 beta-voltaic cells based on silicon solar cells | |
| RU2608058C1 (ru) | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии | |
| KR102134223B1 (ko) | 베타전지 | |
| KR102595089B1 (ko) | 가교 구조의 이온화 방사선 변환기 및 이의 제조 방법 | |
| KR101617307B1 (ko) | 베타 전지 및 이의 제조방법 | |
| RU2607835C1 (ru) | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии и способ его изготовления | |
| RU2610037C2 (ru) | Бета-вольтаический генератор электроэнергии и способ повышения его эффективности | |
| Muhibbullah et al. | Estimation of the Open Circuit Voltage of a pn Junction Based on Photoelectrochemical Measurements | |
| BG110821A (bg) | Метод и устройство за пряко преобразуване на радиационна енергия в електрическа | |
| KR20090038593A (ko) | 방사선전지의 전하량 증가방법과 이를 이용한 고효율 구조베타전지 | |
| RU168184U1 (ru) | Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором | |
| RU2605783C1 (ru) | Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления | |
| Choi et al. | Ni-63 radioisotope betavoltaic cells based on vertical electrodes and pn junctions | |
| CN112863727B (zh) | 一种核电池和一种提供电能的方法 | |
| RU2605758C1 (ru) | Источник электрического питания | |
| RU179476U1 (ru) | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию | |
| KR20140098897A (ko) | 방사선 차폐재를 이용한 원자력 전지 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170715 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180710 |