Гибкий бетавольтаический элемент



Гибкий бетавольтаический элемент
Гибкий бетавольтаический элемент

 


Владельцы патента RU 2631861:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии.

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.

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 источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности. Комплект собран из преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между которыми размещены токопроводящие радиоизотопные элементы. Комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными пазами. Противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, выполненными с возможностью их электрического соединения как с токопроводящими контактами крайних преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором. В качестве радиоизотопного элемента используется никель-63 с обогащением от 80%, нанесенный на n-слои полупроводниковых преобразователей. Технический результат: повышение удельной мощности батареи. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх