RU2631861C1 - Гибкий бетавольтаический элемент - Google Patents
Гибкий бетавольтаический элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2631861C1 RU2631861C1 RU2016147694A RU2016147694A RU2631861C1 RU 2631861 C1 RU2631861 C1 RU 2631861C1 RU 2016147694 A RU2016147694 A RU 2016147694A RU 2016147694 A RU2016147694 A RU 2016147694A RU 2631861 C1 RU2631861 C1 RU 2631861C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- beta
- semiconductor
- foil
- valve metal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к средствам прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры. Гибкий бета-вольтаический элемент содержит источник бета-излучения выполнен в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, который окружен, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем. Преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла (например, Ni, Nb, Zr, V), на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой. Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура. Техническим результатом является возможность оптимизации весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Хекстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а радиоактивное вещество, содержащее радионуклид никель-63, тритий или оба вместе, покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.
Недостатками такого источника являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения, большая часть которого поглощается стенками макропор.
Также известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин.
Недостатком такого элемента является использование в источнике излучения и полупроводниковом преобразователе изоляционных пластин-подложек, не участвующих в рабочем процессе, изготовленных из хрупкого материала, не обладающего достаточной гибкостью, а также бесполезные потери бета-излучения с одной стороны источника в толще электроизоляционного материала. Это снижает эффективность (коэффициент полезного действия) батареи и ограничивает возможности дальнейшего повышения ее весогабаритных характеристик.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.Н. Беринцев, Б.М. Костишко, В.В. Светухин, И.С. Федоров. Радиоизотопный элемент электрического питания. Ульяновский государственный университет при поддержке Госкорпорации «Росатом». - http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).
Недостаток такого радиоизотопного элемента электрического питания заключается в том, что его весогабаритные характеристики в значительной степени определяются наличием корпуса, его толщиной, а также толщиной полупроводниковых преобразователей, которые используются в данном элементе, что в сумме может составлять несколько миллиметров.
Задачей изобретения является улучшение весогабаритных характеристик бета-вольтаических элементов.
Поставленная задача решается тем, что в бета-вольтаический элементе, содержащем источник бета-излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, окруженный, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем, согласно изобретению преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла, на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой.
Электрический контакт, нанесенный на слой полупроводникового оксида вентильного металла, может быть выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым слоем барьер Шоттки.
В слое полупроводникового оксида вентильного металла может быть сформирована выпрямляющая гетероструктура.
В качестве вентильных металлов могут быть использованы титан, ниобий, цирконий или ванадий.
Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура.
Использование фольги из вентильного металла и его же полупроводникового оксида обеспечивает прочное сцепление полупроводникового слоя с металлом фольги при деформациях преобразователя. Это позволяет сделать рассматриваемый бета-гальванический элемент гибким, которому в дальнейшем можно придать компактную форму (свернуть в рулон, сложить «гармошкой» и т.п.). Для такого элемента не требуется корпус, так как его роль играет упомянутая фольга из вентильного металла, что ведет к значительному улучшению весогабаритных характеристик.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.
На фиг. 1 показано поперечное сечение гибкого бета-вольтаического элемента, в котором электрический контакт выполнен в виде сплошного металлического покрытия.
На фиг. 2 показано поперечное сечение гибкого бета-вольтаического элемента, в котором в слое полупроводникового оксида вентильного металла сформирована выпрямляющая гетероструктура.
На фиг. 1 источник бета-излучения в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, окружен одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем, выполненным в соответствии с заявленным изобретением в виде фольги 2 из вентильного металла. Фольга 2 сложена таким образом, что источник бета-излучения размещен в ее складке. При этом на внутренней стороне фольги 2 сформирован слой 3 полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла. На слой 3 нанесен электрический контакт 4 в виде сплошного металлического покрытия, образующего с полупроводниковым оксидом используемого вентильного металла барьер Шоттки, пропускающий электрический ток через слой 3 только в одном направлении. Токосъем с электрического контакта 4 осуществляется через фольгу 1, содержащую радиоактивный изотоп.
На фиг. 2 источник бета-излучения в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп окружен двумя прилегающими к нему полупроводниковыми преобразователями, выполненными в соответствии с заявленным изобретением в виде фольги 2 из вентильного металла, на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой 3 полупроводникового оксида указанного металла. При этом способность полупроводникового слоя 3 пропускать ток только в одном направлении обеспечивается тем, что в слое 3 сформирована выпрямляющая полупроводниковая гетероструктура. На слой 3 нанесены электрические контакты 4, которые обеспечивают токосъем с полупроводникового оксида через металл фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп.
Гибкий бета-вольтаический элемент, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, функционирует следующим образом.
При поглощении бета-излучения источника 1 в полупроводниковом слое 3 преобразователя возникают термодинамически неравновесные (избыточные) носители противоположного электрического заряда (электронно-дырочные пары). В результате способности этого слоя пропускать электрический ток только в одном направлении, эти носители расходятся к его противоположным поверхностям, создавая бета-вольтаический эффект и напряжение в цепи между фольгой 1 и фольгой 2.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения.
В гибком бета-вольтаическом элементе в качестве источника излучения использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63. В качестве радиоактивного элемента в заявляемом изобретении могут использоваться также прометий-147, америций-241 или кадмий-113.
Для формирования полупроводникового преобразователя использовали фольгу из титана толщиной ~100 мкм, поверхность которой для получения полупроводникового слоя окисляли в водяном паре и подвергали дополнительной гальванической обработке согласно известной технологии, применявшейся в прошлом при изготовлении титановых выпрямителей (Ф.А. Маковский, Е.П. Усачев. Выпрямители на основе полупроводниковой окиси титана. - М.: Наука, 1966).
Для формирования полупроводникового преобразователя с барьером Шоттки на окисленную в соответствии с вышеупомянутой технологией поверхность титановой фольги наносили электрический контакт в виде сплошного никелевого покрытия толщиной ~0,5 мкм, не прибегая к термообработке.
В другом из двух упомянутых исполнений бета-вольтаического элемента также использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63 и титановую фольгу толщиной ~100 мкм. В полученном на фольге оксидном слое формировали выпрямляющую полупроводниковую гетероструктуру NixTiyOz (0<x<1, 0<y<1, 1<z<3) на основе окислов титана и никеля (Г.П. Стефанович, А.Л. Пергамент, П.П. Борисков и др. Зарядоперенос в выпрямляющих оксидных гетероструктурах и оксидные элементы доступа ReRAM. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 5, стр. 650-656). Для этого на окись титана наносилось никелевое покрытие толщиной ~0,1 мкм с последующей термообработкой полупроводникового слоя в кислородсодержащей среде. В качестве электрических контактов, нанесенных на этот слой, использовалось углеродное покрытие (сажа) толщиной ~1 мкм.
В обоих случаях толщина полупроводникового преобразователя не превысила 0,25 мм и уменьшилась, по крайней мере, на порядок по сравнению с прототипом.
Таким образом, в результате решена задача по улучшению весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента.
Claims (4)
1. Гибкий бета-вольтаический элемент, содержащий источник бета-излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, окруженный, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем, отличающийся тем, что преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла, на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой.
2. Бета-вольтаический элемент по п. 1, отличающийся тем, что электрический контакт, нанесенный на слой полупроводникового оксида вентильного металла, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым слоем барьер Шоттки.
3. Бета-вольтаический элемент по п. 1, отличающийся тем, что в слое полупроводникового оксида вентильного металла сформирована выпрямляющая гетероструктура.
4. Бета-вольтаический элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала фольги преобразователя выбраны следующие вентильные металлы: титан, ниобий, цирконий и ванадий.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147694A RU2631861C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Гибкий бетавольтаический элемент |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147694A RU2631861C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Гибкий бетавольтаический элемент |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2631861C1 true RU2631861C1 (ru) | 2017-09-27 |
Family
ID=59931324
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016147694A RU2631861C1 (ru) | 2016-12-06 | 2016-12-06 | Гибкий бетавольтаический элемент |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2631861C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670710C1 (ru) * | 2017-12-25 | 2018-10-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU90612U1 (ru) * | 2009-07-31 | 2010-01-10 | Александров Михаил Тимофеевич | Источник электрического тока |
US20110031572A1 (en) * | 2009-08-06 | 2011-02-10 | Michael Spencer | High power density betavoltaic battery |
DE102013006784A1 (de) * | 2012-04-24 | 2013-10-24 | Ultratech, Inc. | Betavoltaikleistungsquellen für die Anwendung in mobilen Vorrichtungen |
US20140021826A1 (en) * | 2012-07-23 | 2014-01-23 | Ultratech, Inc. | Betavoltaic power sources for transportation applications |
-
2016
- 2016-12-06 RU RU2016147694A patent/RU2631861C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU90612U1 (ru) * | 2009-07-31 | 2010-01-10 | Александров Михаил Тимофеевич | Источник электрического тока |
US20110031572A1 (en) * | 2009-08-06 | 2011-02-10 | Michael Spencer | High power density betavoltaic battery |
DE102013006784A1 (de) * | 2012-04-24 | 2013-10-24 | Ultratech, Inc. | Betavoltaikleistungsquellen für die Anwendung in mobilen Vorrichtungen |
US20140021826A1 (en) * | 2012-07-23 | 2014-01-23 | Ultratech, Inc. | Betavoltaic power sources for transportation applications |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2670710C1 (ru) * | 2017-12-25 | 2018-10-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения |
RU2670710C9 (ru) * | 2017-12-25 | 2018-11-29 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10749049B2 (en) | Pre-equilibrium system and method using solid-state devices as energy converters using nano-engineered porous network materials | |
US8487392B2 (en) | High power density betavoltaic battery | |
Zhou et al. | Betavoltaic cell: The past, present, and future | |
US9099212B2 (en) | Low volumetric density betavoltaic power device | |
US3939366A (en) | Method of converting radioactive energy to electric energy and device for performing the same | |
RU2631861C1 (ru) | Гибкий бетавольтаический элемент | |
RU90612U1 (ru) | Источник электрического тока | |
US9824785B1 (en) | Energy conversion with stacks of nanocapacitors | |
RU2740589C1 (ru) | Термоэлектрический модуль. | |
RU2670710C1 (ru) | Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения | |
JP2018073596A (ja) | 熱発電素子 | |
JP2019529944A (ja) | ベータボルタ電池 | |
CN101923906B (zh) | 碳化硅栅状肖特基接触式核电池 | |
KR20090038593A (ko) | 방사선전지의 전하량 증가방법과 이를 이용한 고효율 구조베타전지 | |
JP2013016373A (ja) | ソーラーアシストバッテリー | |
US8481846B2 (en) | Dye sensitized solar cell | |
RU2608058C1 (ru) | Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии | |
RU179476U1 (ru) | Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию | |
Brown | Solid State Isotopic Power Source for Computer Chips | |
UA146068U (uk) | Джерело електричної енергії на основі бета-розпаду ядер тритію | |
EP4167462A1 (en) | Chemo-electronic converter based on zro2 - 3 mol% y2o3 nanopowders | |
CN106469764A (zh) | 红外线吸收热电池 | |
Brown | Solid-state isotopic power source for computer memory chips | |
Wilson | Thermionic power generation | |
JPS63150869A (ja) | 光エネルギ−変換装置の電極 |