Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Способ может быть использован в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных источников электроэнергии с большим сроком службы.

Изучение процессов и методов преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию актуально по нескольким причинам. Во-первых, такие исследования имеют фундаментальное значение для изучения электронных свойств алмаза. Во-вторых, в России и в мире наблюдается потребность в источниках электроэнергии с большим сроком службы для нужд промышленности, в частности оборонной; такие источники могут быть созданы на основе заявляемого изобретения. В-третьих, автономные источники электроэнергии необходимы для исследовательских целей, в частности для исследования космоса и для глубоководных исследований.

Известен способ создания источника электроэнергии с помощью радиоактивного материала, используемого в электрическом генераторе, преобразующем энергию электронов радиоактивного распада в электроэнергию. Сущность изобретения заключается в выборе органического материала, а именно 1-этилэтилена, насыщении атомами трития 3Н (тритированиии) его таким образом, что соотношение количества атомов трития к количеству атомов углерода составляет по меньшей мере 1:1. Процесс тритирования заключается в добавлении или замещении атомов трития или сочетает оба процесса. Полученный полимерный материал используется в устройстве для генерации электрического тока за счет преобразования энергии, выделяющейся при распаде радиоактивного материала, в состав которого входит по меньшей мере один слой полупроводникового пористого материала, в поры которого вышеуказанный полимерный материал помещается путем пропитки. К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность и многостадийность процесса изготовления как собственно тритированного полимерного материала, так и устройства для генерации электрического тока, существенно повышающие стоимость изделия (Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009).

Известный способ генерации электрической мощности в ходе процесса распада радиоактивного материала, при этом радиоактивный материал и область полупроводникового р-n перехода объединены в ячейку. Область р-n перехода образована соответствующей структурой множества участков с р- и n-проводимостью. По меньшей мере часть одной из областей р-n перехода представляет собой область, насыщенную порами с соотношением глубины к диаметру больше 20:1 и расположенных под углом более 55 градусов к поверхности, на которой они сформированы. Размеры и формы областей с макропорами и улучшенные области р-n перехода способствуют улучшению параметров электрического тока, генерируемого устройством. В качестве полупроводникового материала используется кремний, а в качестве радиоактивного материала - тритий или изотопы 63Ni или 241Am. К недостаткам данного изобретения можно отнести использование в качестве полупроводникового материала кремния, обладающего радиационной стойкостью, в 100 раз меньшей, чем алмаз, а также использование в качестве источника излучения высокотоксичного 241Am, являющегося α-излучателем с энергией излучаемых частиц 5,5 МэВ, которые вызовут радиационное повреждение кремния в ходе длительной эксплуатации устройства (Патент US 6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005).

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является автономный источник питания и способ изготовления источника преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29, включающий изготовление полупроводникового материала с использованием карбида кремния, состоящего из областей р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников, воздействие на один из слоев металла ионизирующим бета-излучением и снятие электричества с помощью проводников.

К недостаткам известного изобретения можно отнести сложную, многостадийную схему изготовления полупроводниковой структуры, использование низкоэнергетических источников бета-излучения, использование в качестве полупроводникового материала карбида кремния, обладающего существенно более низкой радиационной стойкостью, что определяет более низкий срок службы полупроводникового материала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающем изготовление полупроводникового материала состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением и снятие электричества с помощью проводников, согласно изобретению в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения, а в качестве полупроводникового материала берут синтетический алмаз р-типа с содержанием бора в количестве 1014-1016 атомов на см3.

На поверхностях алмаза в областях р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из них - трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото толщиной 5-100 нм для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия толщиной 5-100 нм, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разделяются на отрицательные, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.

Алмаз отличается от других полупроводниковых материалов повышенной радиационной стойкостью, что позволит создавать не деградирующие с течением времени гетероструктуры под действием радиоизотопов, испускающих высокоэнергетические электроны, и использовать их в сравнительно жестких радиационных условиях. Наибольший интерес представляет пороговая энергия электронов, достаточная для возникновения дефектов в алмазе, - она составляет 165-220 кэВ и меняется в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности алмаза. Для сравнения в кремнии дефекты образуются уже при энергии электрона несколько десятков кэВ. Алмаз также характеризуется уникально высокой подвижностью носителей заряда, что значительно уменьшает вероятность рекомбинации электронов и дырок при работе алмазного источника тока и приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Кроме того, уникально высокая теплопроводность алмаза значительно упрощает решение задачи об отводе тепла от любых электронных устройств на его основе. Система титан-платина-золото выступает в роли омического контакта, ее выбор обусловлен следующими требованиями: во-первых, данный контакт не должен приводить к существенному падению напряжения на нем, чтобы исключить дополнительные резистивные потери. Во-вторых, данный слой должен обладать высокой адгезией к алмазу и высокой стойкостью к термоциклированию, т.к. планируется, что он будет использоваться для соединения кристалла преобразователя с корпусом источника тока. Для формирования контакта с барьером Шоттки ключевой является максимальная разность работ выхода электрона из алмаза и из металла контакта - высота этого барьера определяет разность потенциалов на границах области пространственного заряда, от нее зависит напряжение, генерируемое базовым элементом. Именно платина (металлы платиновой группы) обеспечивает достижение максимального напряжения.

В качестве ионизирующего излучения взято альфа-излучение 238Pu, так как один грамм чистого 238Pu генерирует 0,567 Вт мощности, что обеспечивает достижение необходимого напряжения, также период полураспада 238Pu обеспечивает длительный срок службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию.

Изобретение поясняется чертежом, иллюстрирующим предлагаемое техническое решение.

Преобразование энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза осуществляется следующим образом. Источник 1 ионизирующего излучения испускает ионизирующее излучение 2. На пути ионизирующего излучения 2 располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа 3 с контактом Шоттки 4 и омическим контактом 5 так, чтобы ионизирующее излучение 2 полностью или частично попадало на контакт Шоттки 4. При помощи проводников 6 электрический ток снимается с контактов 4 и 5 и передается потребителю 7.

Была создана сборка из 130 преобразователей ионизирующего излучения, разделенная на 4 неравных сектора. В каждом секторе преобразователи были присоединены омическим контактом к медной подложке проводящим клеем и объединены параллельно при помощи микросварки к контактам Шоттки золотым проводом толщиной 40 мкм. Сектора были объединены последовательно-параллельно для достижения рабочего напряжения. Сборка была собрана в пластиковом корпусе для защиты от внешних воздействий.

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом выразится в повышении степени генерации электрической энергии за счет использования высокоэнергетических ионизирующих источников с альфа-излучением, а также в увеличении срока службы приборов, использующих способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию за счет использования синтетического алмаза в качестве полупроводникового материала, имеющего более высокую радиационную стойкость в условиях ионизирующего излучения по сравнению с карбидом кремния.

Пример конкретного выполнения способа

Для проведения испытаний были изготовлены образцы полупроводникового материала, состоящего из синтетического алмаза с содержанием бора в количестве 1014-1016 атомов на см3, на который воздействовали альфа-излучением активностью 0,2 Ки.

В результате получена на выходе мощность 25 мкВт.

Одновременно проведены испытания известного способа. Результаты испытаний сведены в таблице.

Источники информации

1. Патент US 7622532 B2, МПК C08F 38/00, C08F 138/00, C08F 238/00, публикация 24.11.2009.

2. Патент US6949865 B2, МПК G21F, G21H 1/00, H01L 31/04, H01M 14/00, H02P 9/04, G21H 1/06, публикация 27.09.2005.

3. Патент US №7663288, публ. 2010.02.16, МПК G21H 01/06, по заявке №20090026879, публ. 2009.01.29.

1. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию, включающий изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, отличающийся тем, что в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество.

2. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что неразрывные металлические контакты из трехслойной системы металлизации вида титан-платина-золото и металла платиновой группы наносят толщиной 5-100 нм каждый.

3. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию по п. 1, отличающийся тем, что в металле контакта Шоттки формируют отверстия различной формы и размеров для лучшего прохождения ионизирующего излучения.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области медицины. Искусственная сетчатка представляет собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод.

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано как источник энергии, создаваемой солнечной панелью и линейной люминесцентной или линейной светодиодной лампами, имеющими высокотемпературные области на обеих сторонах ламповой трубки и низкотемпературную область между ними.

Изобретение относится к 8-алкил-2-(тиофен-2-ил)-8H-тиофен[2,3-6]индол замещенным 2-цианоакриловым кислотам формулы (I) которые могут быть использованы как перспективные красители для сенсибилизации неорганических полупроводников в составе цветосенсибилизированных солнечных батарей, способу их получения, а так же промежуточным соединениям, которые используют для синтеза данных соединений.

Изобретение относится к электротехнике альтернативных источников энергии, в частности к устройствам для генерирования электрической и тепловой энергии путем преобразования энергии светового излучения, и предназначено для использования в конструкциях солнечных панелей.

Солнечный элемент содержит стеклянную подложку; первый проводящий слой на основе CNT, расположенный непосредственно или косвенно на стеклянной подложке; первый полупроводниковый слой в контакте с первым проводящим слоем на основе CNT; по меньшей мере, один поглощающий слой, расположенный непосредственно или косвенно на первом полупроводниковом слое; второй полупроводниковый слой, расположенный непосредственно или косвенно на, по меньшей мере, одном поглощающем слое; второй проводящий слой на основе CNT в контакте со вторым полупроводниковым слоем и контакт к тыльной поверхности, расположенный непосредственно или косвенно на втором проводящем слое на основе CNT.

Изобретение обеспечивает фотогальваническое устройство и способ изготовления такого устройства. Фотогальваническое устройство согласно изобретению включает в себя комбинацию полупроводниковых структур и защитный слой.

Изобретение относится к композиционным материалам, используемым в сверхлегких каркасах солнечных батарей и элементов конструкций космических аппаратов, и касается трехслойной панели.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей, преобразующих энергию света в электрическую энергию.

Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств состоит из полупроводниковой подложки (1) с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на (0,5-10) градусов и, по меньшей мере, одного р-n перехода (2), включающего, по меньшей мере, один активный полупроводниковый слой (3), заключенный между двумя барьерными слоями (4) с шириной запрещенной зоны Eg0.

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на субстрат (2), содержащий на своей поверхности материал, отличный от силиконового каучука, или состоящий из такого материала, методом химического осаждения из паровой фазы с помощью пламени.

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение. В заявленном способе предусмотрено использование диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза.

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников и может использоваться в энергетике. Подземный ядерно-энергетический комплекс содержит наклонные У-образно расположенные скважины.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию ядерного распада в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве компактных источников электрического тока длительного пользования.

Изобретение относится к использованию локальной электрической станции-преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. .

Изобретение относится к области фотогальванических устройств, в частности тонкопленочных композитных материалов, пригодных для изготовления гибких высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, и касается нанокристаллических слоев на основе диоксида титана с низкой температурой отжига для применения в сенсибилизированных красителем солнечных элементах и способов их получения. Указанные материалы содержат прозрачную подложку с прозрачным проводящим слоем и нанесенную на указанную подложку пленку, содержащую сенсибилизированные красителями кристаллические наночастицы оксида металла, в особенности диоксида титана, и полимерное связующее (полилинкер), образованное продуктами поликонденсации титанорганических соединений - алкоголятов титана. Последние могут представлять собой алкоголяты с хелатирующим органическим заместителем, алкоголяты с варьируемыми при гидролизе структурными свойствами и смеси указанных алкоголятов в различных соотношениях; и/или продукты частичного гидролиза указанных алкоголятов. Предложены также жидкий предшественник указанного полилинкера и способ получения последнего, включающий стадию контролируемого гидролиза алкоголятов титана. Также описан способ нанесения пленки на подложку, используемый для получения указанного тонкопленочного композитного материала, где применяется указанный жидкий предшественник полилинкера. Изобретение позволяет осуществить контролируемый гидролиз алкоголятов в качестве промежуточных связующих в различных условиях и реализовать эффективный способ получения тонкопленочного наноструктурированного электродного материала с оптимальными фотоэлектронными, механическими и связующими свойствами. 5 н. и 51 з.п. ф-лы, 1 ил.

Согласно изобретению предложена подложка для солнечного элемента, на одном углу кремниевой подложки, имеющей квадратную форму на виде в плане, сформирован скошенный участок или сформировано углубление на углу подложки или вблизи угла. Изобретение позволяет легко контролировать положение подложки и определять направление подложки на этапе изготовления солнечного элемента, и препятствовать генерации отказов, обусловленных направлением подложки. 6 н.п. ф-лы, 3 ил.

Коллекторный электрод для солнечного элемента изготавливают трафаретной печатью проводящей пасты, при этом трафаретную печать повторяют многократно. Скорость прокатывания во время второй или последующей трафаретных печатей является больше, чем скорость прокатывания во время первой трафаретной печати. Вторая и последующая трафаретная печать накладывается на коллекторный электрод, отпечатанный первый раз; таким образом, чем выше скорость прокатывания, тем лучше отделяется печатная форма от пасты и основания. Количество нанесенной пасты увеличивается, и пленка для изготавливаемого коллекторного электрода становится толще, уменьшается величина сопротивления, а также обеспечивается улучшение эффективности преобразования солнечной энергии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Солнечный элемент, в котором пассивирующая пленка образована на кристаллической кремниевой подложке, которая имеет, по меньшей мере, p-n переход, а электрод сформирован путем печатания и термообработки проводящей пасты. Упомянутый солнечный элемент имеет: первый электрод, содержащий вытягивающий электрод, который вытягивает фотогенерированные носители из кремниевой подложки, образованный таким образом, чтобы он контактировал с кремниевой подложкой; и второй электрод, содержащий коллекторный электрод, который собирает носители, накопленные на вытягивающем электроде, образованном таким образом, чтобы он контактировал с первым электродом. Помимо точки контакта между первым электродом и вторым электродом, по меньшей мере, второй электрод контактирует с кремниевой подложкой лишь частично или вообще не контактирует. Изобретение снижает потери заряда на границах электрод/кремний, повышает ток короткого замыкания и напряжение разомкнутой цепи, придает солнечному элементу улучшенные характеристики и снижает затраты. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму. Диафрагма состоит из средней конусной детали, крышки, дискового основания и экрана, выполняющего функцию защиты от паразитного излучения. Детали диафрагмы соединены сваркой и криостойким клеем. Диафрагма присоединена к растру криостойким клеем. Детали диафрагмы получают выдавливанием на пресс-форме. Внешние поверхности деталей зеркально полируют, проводят матирование и утоньшение внутренних стенок. Внутренние поверхности деталей подвергают электрохимическому чернению. Среднюю конусную деталь и крышку сваривают между собой, а экран приклеивают к боковой поверхности конусной детали. Технический результат заключается в уменьшении влияния паразитного излучения, уменьшении тепловой массы и увеличении скорости охлаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх