Бета-вольтаический генератор электроэнергии и способ повышения его эффективности

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. Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к изготовлению и созданию компактных источников электроэнергии, с использованием полупроводниковых преобразователей. 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 бета-распада радионулидов.

Первые работы по бета-вольтаическиим преобразователям с использованием стронция-90 относятся к середине 50-х годов 20-го столетия [Rappaport R.I., Lofersky J.J., Linder E.G. A study program of possible uses principle. Nucleonic. 1957. vol. 15, p.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 (2,62 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 по эксплуатационным характеристикам является последний. Одним из путей повышения удельной электрической мощности преобразователя может быть увеличение площади плоской поверхности диодной структуры, покрытой источником бета-излучения. Для этого используется текстурирование пластин кремния. Например, в объеме пластины создается квазитрехмерная пористая структура, состоящая из расположенных упорядоченным образом пор («колодцев») [N.P. Kherani et. al. Three-Dimensional Porous Silicon p-n Diode for Betavoltaic and Photovoltaics. Advanced Materials. 2005, 17, 1231-1233]. Тем самым создаются условия для увеличения поверхности, на которую можно нанести источник излучения. Такая структура именуется макропористой и характеризуется тем, что глубина «колодцев» во много раз больше их поперечного размера. Использование макропористой структуры для изготовления бета-вольтаического генератора связано с технологическими трудностями формирования диодной структуры и возможностью нанесения радиоактивных слоев в узких и глубоких порах. Вместе с тем, в результате таких мероприятий увеличивается стоимость изготовления бета-преобразователя, а реально образующаяся неравномерность толщины слоев снижает срок его службы.

Наиболее близким к предложенному генератору является бета-вольтаический полупроводниковый источник электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63.

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. В результате стоимость изготовления бета-вольтаического преобразователя оказывается высокой, а его эффективность - низкой.

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 бета-вольтаическом генераторе электроэнергии, 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 узких вертикально расположенных цилиндрических сквозных пор, проникающих сквозь весь p-слой полупроводникового диода. Слой радионуклида (никеля-63, трития) покрывает стенки «колодцев» и остальную часть поверхности пластины полупроводника. Однако существующий аналог обладает весьма ограниченными характеристиками, такими как малая энергоемкость, ограниченный срок службы из-за низкой прочности полупроводниковой матрицы, трудоемкость создания конструкции.

При создании новых бета-вольтаических полупроводниковых генераторов электроэнергии с расширенными энергетическими возможностями следует учитывать, что дополнительное повышение удельной мощности бета-вольтаического генератора может достигатется тем, что в микропорах и «колодцах» пластин и на поверхности полупроводника может быть создана более высокая концентрация радиоактивного никеля-63 благодаря новому способу его нанесения.

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.

Данная задача может быть решена настоящим изобретением.

В бета-вольтаическом полупроводниковом генераторе электроэнергии, содержащем полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63, согласно изобретению поверхность пластины диода выполнена в виде множества микропор, имеющих разную форму, при этом никель-63 покрывает стенки микропор и остальную поверхность пластины с уровнем радиоактивности 10 mCu/см². Кроме того, для изготовления бета-вольтаического полупроводникового генератора электроэнергии текстурированную поверхность, имеющую глухие микропоры и «колодцы», заполненные слоем металлическим цинком, закрепляют на коллекторную стальную пластину, обладающую магнитными свойствами, помещают в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-10 часов при температуре 10-20°C.

В способе изготовления бета-вольтаического генератора электроэнергии, включающем нанесение радиоактивного вещества, согласно изобретению в глухие микропоры и «колодцы» пластин полупроводника с текстурированной поверхностью напыляют слой металлического цинка, а затем помещают пластины в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-60 часов при температуре 10-50°C при pH 4,5. При этом происходит замена цинка на поверхности полупроводника на радиоактивный никель-63.

Дополнительное повышение удельной мощности бета-вольтаического генератора в данном новом изобретении достигается тем, что на поверхность глухих пор и «колодцев», а также остальную часть поверхности пластины полупроводника методом вакуумного термического напыления наносится металлический цинк слоем 0.03-0.05 нм. Далее пластину полупроводника закрепляют на коллекторную стальную пластину, обладающую магнитными свойствами и в дальнейшем служащую коллекторным контактом. Затем пластины полупроводника с размещенным на них металлическим цинком помещают в 0.01 М водный раствор хлорида никеля-63 с требуемым уровнем радиоактивности. Пластины оставляют на 8-10 часов в растворе при температуре 10-20°C при pH 4,5. Атомы никеля, обладающие парамагнитными свойствами, за счет воздействия магнитного поля, исходящего от стальной пластины, более полно заполняют, быстрее и глубже проникают в поры полупроводниковой матрицы. Данный метод нанесения радионуклида никеля-63 на полупроводниковые пластины позволяет наиболее полно и максимально глубоко проникнуть атомам никеля в поры, «колодцы» и равномерно распределиться по поверхности полупроводникового материала, образовать на нем механически прочные пленки Ni-63.

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 сделаны допущения о том, что, во-первых, только 50% бета-частиц, излучаемых Ni-63, попадает на поверхность кремния. Во-вторых, предполагается, что порядка 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 (слева - вид сбоку рис. 2, справа - вид сверху рис. 3).

Поверхность диодной пластины покрыта токопроводящим слоем радионуклида никеля-63 (позиция 3, рис. 1), выполняющим роль токосъемного контакта и являющимся источником бета-частиц. В базовой области полупроводник расположен на стальной намагниченной 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 глухих «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 объема «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. В зависимости от требований возможно получение до 2500-3000 пор на 1 см².

Сущность изобретения состоит в том, что для повышения удельной мощности бета-вольтаического генератора на поверхность глухих пор и «колодцев», а также остальную часть поверхности пластины полупроводника гальваническим методом наносится максимально возможное количество радионуклида никеля-63. Дополнительный эффект достигается за счет применения стальной намагниченной пластины, на которую наносится полупроводниковый материал. Атомы никеля, обладающие парамагнитными свойствами, за счет воздействия магнитного поля, исходящего от стальной пластины, более полно, быстрее и глубже проникают в поры полупроводниковой матрицы.

Для повышения удельной мощности бета-вольтаического генератора на поверхность глухих пор и «колодцев», а также остальную часть поверхности пластины полупроводника гальванохимическим методом наносится радионуклид никеля-63 с максимально возможным уровнем радиоактивности.

Конструкцию бета-вольтаического генератора электроэнергии предлагается создавать следующим образом.

Для изготовления пластины пористого полупроводника используют микрокристаллический кремний. Поверхность пластин покрывают 8 μm защитным фтороустойчивым слоем пленки, по определенной схеме наносят серию меток окон и методом электрохимического травления создают поры на поверхности полупроводника с размерами: ширина - 20÷440 нм, длинна - 400÷600 нм и глубина - 100÷250 нм. Очищают поверхность от защитной полимерной пленки. Покрывают легирующим слоем бора или нитрида кремния. Таким образом, в зависимости от требований можно получать 2500-3000 пор на площади 1 см². Электровакуумное нанесение металлического цинка на пористую поверхность кремния проводят при температуре 950°C и давлении 2,5*10^-5 мм рт.ст. в течение 8 часов. Поверхность кремниевой пластины покрывается слоем металлического цинка 0,03-0,05 нм. Далее торцевые и базовые стороны пластины покрывают защитной пленкой, размещают на стальной пластине, обладающей магнитными свойствами, и помещают в раствор 0,01 моль/л водного раствора радионуклида хлорида Ni^II на 8-10 часов при температуре 10-20°C при pH 4,5. Специально выбранные температурный и временной интервалы создают благоприятные условия для получения равномерного распределения Ni-63 по пористой поверхности полупроводникового диода. Использование металлического цинка значительно упрощает методику нанесения радиоактивного никеля на поверхность и способствует увеличению ЭДС бета-вольтаического генератора электроэнергии. Применение стальной пластины, обладающей магнитными свойствами, позволяет получать механически прочные и долговечные пленки Ni-63. Процесс изготовления бета-вольтаического генератора электроэнергии завершается снятием защитной пленки и прикреплением контактов - к базовой (коллекторной) стороне полупроводника и со стороны покрытой никелем.

Методика нанесения никеля-63 на поверхность кремниевой пластины.

Кремниевую пластину с напыленным на ее поверхность металлическим цинком, зажимают с торцов в специальный зажим. Далее пластину помещают в стакан объемом 150 мл, снабженный магнитной мешалкой. В стакан помещают водный раствор 0,01 моль/л хлорида никеля-63 с удельной радиоактивностью 7,5 Ки/г. Перемешивание проводят в течение 8-48 час при 10-50°C при pH 4,5. Получают кремниевые пластины со степенью покрытия никелем-63 стенок микропор и глухих «колодцев», а также общей поверхности до 95-99%. Уровень радиоактивности на поверхности пластины при данном способе нанесения может достигать 10 mCu/см².

При работе настоящего генератора электроэнергии 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, также как происходит при облучении светом. В случае если p^- и n⁺ области замкнуть накоротко или через внешнее сопротивление нагрузки, в цепи потечет ток. Таким образом, генерированная энергия может быть использована в электрических схемах.