WO2018026314A1 - Бета-вольтаическая батарея - Google Patents

Бета-вольтаическая батарея Download PDF

Info

Publication number
WO2018026314A1
WO2018026314A1 PCT/RU2017/000575 RU2017000575W WO2018026314A1 WO 2018026314 A1 WO2018026314 A1 WO 2018026314A1 RU 2017000575 W RU2017000575 W RU 2017000575W WO 2018026314 A1 WO2018026314 A1 WO 2018026314A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radioisotope
converters
elements
semiconductor
battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2017/000575
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Пётр Михайлович ГАВРИЛОВ
Игорь Александрович МЕРКУЛОВ
Дмитрий Витальевич ДРУЗЬ
Денис Валерьевич ТИХОМИРОВ
Борис Николаевич БАРАКОВ
Андрей Петрович КОЗЛОВСКИЙ
Алексей Сергеевич ПЕРЕТОКИН
Константин Сергеевич ЖУРАВЛЕВ
Александр Михайлович ГИЛИНСКИЙ
Павел Викторович ЗЕЛЕНКОВ
Александр Тимофеевич ЛЕЛЕКОВ
Виктор Геннадьевич СИДОРОВ
Игорь Владимирович КОВАЛЕВ
Сергей Викторович БОГДАНОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal State Unitary Enterprice "mining And Chemical Combine" (fsue "mcc")
Original Assignee
Federal State Unitary Enterprice "mining And Chemical Combine" (fsue "mcc")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federal State Unitary Enterprice "mining And Chemical Combine" (fsue "mcc") filed Critical Federal State Unitary Enterprice "mining And Chemical Combine" (fsue "mcc")
Priority to JP2019527114A priority Critical patent/JP6720413B2/ja
Priority to KR1020197003009A priority patent/KR102134223B1/ko
Priority to EP17837322.1A priority patent/EP3509104B1/en
Priority to US16/321,802 priority patent/US20210296020A1/en
Publication of WO2018026314A1 publication Critical patent/WO2018026314A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/06—Cells wherein radiation is applied to the junction of different semiconductor materials
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/50—Integrated devices comprising at least one photovoltaic cell and other types of semiconductor or solid-state components
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/90—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers
    • H10F19/902—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers for series or parallel connection of photovoltaic cells
    • H10F19/906—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers for series or parallel connection of photovoltaic cells characterised by the materials of the structures
    • 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

Definitions

  • the invention relates to atomic and semiconductor technology, in particular to the creation of power sources based on semiconductor converters using the beta-voltaic effect.
  • a semiconductor converter of beta radiation into electricity is known (see patent RU N ° 2 452 060, IPC HQ1L31 / 04) containing a semiconductor wafer with a textured surface, a diode structure along the textured surface and a layer of radioactive beta-emitting substance.
  • the textured surface is made in the form of many through channels in the form of a circle, square or other arbitrary shape, and the radioactive substance covers the walls of the channels and most of the rest of the surface of the semiconductor.
  • the walls of the channels and the surface of the semiconductor have a microrelief, and the distance between the channels is preferably not more than 100 ⁇ m.
  • As a beta emitter radionuclides nickel-63, tritium, or both are used.
  • the texture is pre-created using photolithography or a laser pulse. Taking into account the features of methods for creating a textured surface, it is difficult to ensure the accuracy of obtaining a given surface of the microchannels, and, consequently, the amount of applied radioisotope. In this case, it is not possible to obtain a power source with a strictly specified power.
  • beta-voltaic battery of high specific power comprising a housing, a cover with positive and negative electrodes separated by an insulating gasket and elements 1,2 located in the housing in a certain order, 3.4 and 5.
  • Element 1 is a split ring, responsible for the movement of current in the battery.
  • Element 1 is made of ceramic material on which a thick gold layer is formed by the deposition method to obtain a low resistance path between the upper and lower parts of the element. In ceramics create a hole in which the element 2 is placed.
  • Element 2 is a beta-voltaic device based on a semiconductor SiC that converts beta radiation energy into electricity and is a semiconductor converter. On the upper and lower sides of the semiconductor converter, ohmic contacts are formed by deposition.
  • Element 3 is a radioisotope element, which is a radioisotope foil combined with a conductive element and an insulating section made of A1N.
  • the conductive element is formed by the deposition method and is a thick gold layer to obtain a low resistance path between the upper and lower parts of the element.
  • Element 4 is an insulating element made of A1N, equipped with a conductive element formed by the deposition method and representing a thick gold layer to obtain a low resistance path between the upper and lower parts of element 4.
  • Element 5 is a sequentially included element containing a radioisotope foil, insulating material and conductive sections. On the side sections, the conductive sections are formed by the deposition method and represent a thick gold layer to obtain a low resistance path between the upper and lower parts of element 5.
  • the conductive material closest to the radioisotope foil is made in the form of a conductive ring passing through the entire element, which also serves as a low resistance path between the upper and the lower parts of the element.
  • elements 1, 2, 3 and 4 are used.
  • An insulating element 4, element 1 with element 2 located in its hole, element 3 with a radioisotope source and a cover are installed in series.
  • the above set of elements can be configured into one or more sets connected in parallel until the required output power is reached.
  • elements 1, 2, 3, 4 and 5 are used.
  • an insulating element 4 is installed in series in the housing element 1 with element 2 located in its hole, element 5 with a radioisotope source and a conductive ring, again element 1 with element 2 placed in its hole and element 3 with a radioisotope source.
  • element 5 is installed with a radioisotope source and a conductive ring.
  • Element 3 with a radioisotope source is placed above the uppermost element 2.
  • a cover with positive and negative electrodes is installed on the entire structure, thus completing the package.
  • the above set of elements can be configured into one or more sets connected in parallel until the required output power is reached.
  • the claimed central radioisotope layer contains one or more of the following elements: a tritium radioisotope, nickel-63, phosphorus-33 or promethium.
  • a tritium radioisotope nickel-63, phosphorus-33 or promethium.
  • the well-known beta-voltaic battery is selected by the applicant as a prototype.
  • a disadvantage of the known beta-voltaic battery is that its output electrical parameters (voltage and current) is determined by the number of elements and their series or parallel connection, carried out during assembly, and cannot be changed during operation.
  • one element 3 with a radioisotope source is placed between element 2 with a SiC-based semiconductor converter and insulating element 4, and the second element 3 is mounted above the uppermost element 2.
  • the radioisotope elements 3 only a part of the radiation of one side of the plate is used, which is turned directly toward the semiconductor converter adjacent to the radioisotope, and as a result, the efficiency of use is reduced and 2 times) of the expensive radioisotope.
  • both sides of the radioisotope are used for elements 5, and for elements 3 only one side is also used.
  • the technical result that can be obtained by using the proposed beta-voltaic battery is to increase its specific power due to the most complete conversion of semiconductor energy converters of radiation of radioisotope elements into electrical energy and the use of a radioisotope element (for example, metallic nickel-63 or promethium-147) as electrical contacts between semiconductor converters, as well as creating the possibility of electrical connection of battery packs with a regulator .
  • a radioisotope element for example, metallic nickel-63 or promethium-147
  • the specified technical result is achieved by the fact that in a beta-voltaic battery containing a housing, a cover, semiconductor converters based on pn or pin structure made of silicon, AZV5 compounds, solid solutions of aluminum, gallium, nitrogen or phosphorus (or all together), made with profiled alloying, insulating and radioisotope elements and conductive contacts, configurable in one or more sets, connected in parallel and (or) in series to achieve the required output power, semiconductors
  • the transducers with profiled alloying are made with an increased space charge region over the entire width of the semiconductor converter.
  • the kit is assembled from semiconductor converters directed by opposite-polarity surfaces to each other, conductive radioisotope elements are placed between opposite-polar surfaces.
  • kits are separated by insulating elements equipped with grooves evenly spaced along their perimeter, the number of which is at least equal to twice the number of kits in the beta-voltaic battery.
  • Opposite grooves are provided with conductive contacts, one of which is brought out to the lower surface of the insulating element in the region of the groove location, and the second to the upper surface, and the conductive contacts of the insulating elements are made with the possibility of their electrical connection, as with the conductive contacts of the adjacent extreme semiconductor converters of each kit, and with the regulator.
  • a highly enriched nickel-63 isotope is used as a conductive radioisotope element.
  • the conductive contacts of the extreme semiconductor converters of the sets are made by deposition on p or p - layers of a conductive metal, such as copper.
  • the conductive contacts of the extreme semiconductor converters of the sets are made by applying to nickel or p - nickel layers - 63, the optimal thickness.
  • the implementation of semiconductor converters with profiled alloying with an increased space charge region over the entire thickness of the p- ⁇ or pin structure of the converter allows to obtain the most complete conversion of beta radiation energy into electrical energy by reducing carrier recombination and decreasing absorption beta particles in the layer of the material of the Converter and, thereby, increase the specific power of the beta-voltaic battery (hereinafter referred to as the battery).
  • Assembling a set of transducers directed by opposite-polarity surfaces to each other, and placing conductive radioisotope elements between them, allows, firstly, to use the radiation emitted from both sides by the radioisotope element, converting it into electrical energy, and secondly, to carry out electrical serial connection of the converters between themselves, using a conductive radioisotope element as an electrical contact between them.
  • kits with insulating elements equipped with grooves evenly spaced along their perimeter the number of which is at least equal to twice the number of kits in a beta-voltaic battery (hereinafter referred to as the battery) and the supply of opposite insulating grooves elements by conducting contacts, when assembling the battery due to the rotation of the insulating elements relative to each other by a step between the grooves, to have free grooves without contacts above all grooves with conductive contacts and place conductors in them, and thereby create the possibility of electrical connection of conductive contacts with the controller.
  • the battery beta-voltaic battery
  • nickel-63 as a conductive radioisotope element with an enrichment of 80% and higher, deposited on the p-layers of the converters, allows, firstly, to increase the specific electric power of the battery, and secondly, to use nickel-63 as an electrical contact between p - a layer of one converter, and a p-layer of a second converter adjacent to it.
  • b contacts of insulating elements, using a conductive radioisotope element as a contact between them, and also increase the specific power of the battery.
  • FIG. 1 battery assembly with a regulator
  • FIG. 2 remote element from FIG. one ;
  • Fig.4 is a section aa from Fig. one;
  • the proposed battery 1 consists (see FIGS. 1 and 2) of converters 2 assembled in a stack of one or more sets 3, separated by insulating elements 4.
  • FIG. 1 shows a battery consisting of three sets.
  • Converters 2 in sets 3 are directed with opposite polarity surfaces to each other, and conductive radioisotope elements 5 are placed between surfaces with opposite polarities.
  • a radioisotope element 5 a highly enriched nickel-63 radioisotope is deposited on p - layers of converters 2.
  • Upper 6 and lower 7 transducers of each set 3 are provided with contacts 8 made by deposition on p or p - layers, respectively, of conductive material, for example copper, moreover, on the upper converters 6, contacts 8 are applied I n - layers, and the lower 7 - on the p - layers.
  • contacts 8 are applied I n - layers, and the lower 7 - on the p - layers.
  • grooves 9 are made uniformly around the perimeter of the insulating element 4, and the total number of grooves 9 is at least twice the number of sets 3 in the battery 1 or exceeds it, depending on the design of the battery 1.
  • Opposite grooves 9 of the insulating elements 5 see Fig. 3) are provided with contacts 10 and 11, and the remaining grooves 9 remain free.
  • Each contact 10 consists of a conductive section 12 deposited on the lower surface 13 of the insulating element 5 in the area of the groove 9, and a conductive section 14 connected thereto, located directly in the groove 9.
  • Each contact 11 consists of a conductive section 12 deposited on the upper surface 15 of the insulating element 5 in the area of the opposite groove 9 and connected to it conductive section 14, located directly in the groove 9.
  • Each set 3 is installed in the insulating sleeve 18 according to the outer diameter.
  • the battery 1 is placed in the housing 19 with the lower negative electrode 20 and the upper positive electrode 21 fixed in it, mounted in the housing 19 through insulating gaskets 22 and 23.
  • the space between the housing 19 and the sets 3 is filled with dielectric mastic or compound 24.
  • the lower electrode 20, contact 11 of the lower insulating element 17, contacts 10 and 11 of the insulating elements 5, contact 10 of the upper insulating element 16 and the upper electrode 21 are connected (see Fig. 4) by conductors 25, 26, 27, 28, 29 and 30, with a regulator 31 installed in case 19 al upper insulating member 16.
  • the proposed battery 1 and its housing 19, insulating elements 5, 16 and 17 and semiconductor converters 2, 6 and 7 can be made of square or rectangular cross-section with the placement of the electrodes 20 and 21 in the upper part of the battery 1.
  • the receipt in the battery 1 of electrical energy is as follows.
  • Beta particles leaving the surface of the radioisotope element 5, fall into adjacent transducers 2. Having high energy beta particles fly through doped either p- or ⁇ -layers of adjacent transducers 2. When beta particles hit the space charge region (SCR), they collide with atoms of this region. Due to the fact that the electric bond between the atom and electrons in the SCR is much weaker than in the p and ⁇ layers of the transducers 2, the electron detaches from the atom — the generation of an electron-hole pair. The free electron begins to tend to the region of increased negative charge — to the ⁇ layer of transducer 2.
  • SCR space charge region
  • the remaining electrons in the SCR tend to fill the resulting absence of an electron and also tend to the region of negative charge, thereby, virtually, an atom with an absent electron moves to the region of positive charge in the p-layer of the transducer 2.
  • a beta particle moves in the SCR region and generates electron – hole pairs until it loses all energy.
  • the sets 3 are connected in series with the transducers 2 in series.
  • Negative charge is connected by their contacts 8 through conductive sections 12 with contacts 11 and 10 located in the slots 9 of the insulating elements 4, 16 and 17 from the ⁇ -layer of the lower transducer 7, and to pin 11 - a positive charge from the p - layer of the upper transducer 6.
  • Negative and positive charges from contacts 10 and 11 through the conductors 26, 27, 28 and 29 are supplied to the regulator 31, from which the voltage conductors 25 and 30 are fed to the lower 20 and upper 21 electrodes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

Изобретения относятся к атомной и полупроводниковой технике, в частности к созданию источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. 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 высокообогащенный изотоп никель-63, нанесенный на n - слои полупроводниковых преобразователей. Технический результат заключается в повышении удельной мощности батареи за счет наиболее полного использования излучения радиоизотопных элементов и использования радиоизотопных элементов в качестве электрических контактов между преобразователями, а также в возможности электрического соединения комплектов батареи с регулятором выходных электрических параметров в процессе эксплуатации.

Description

БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ
Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к созданию источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (см. патент RU N° 2 452 060, МПК HQ1L31/04), содержащий пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного бета-излучающего вещества. Текстурированная поверхность выполнена в виде множества сквозных каналов в форме круга, квадрата или другой произвольной формы, а радиоактивное вещество покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности полупроводника. Стенки каналов и поверхность полупроводника имеют микрорельеф, а расстояние между каналами предпочтительно не превышает 100 мкм. В качестве бета-излучателя используются радионуклиды никель-63, тритий или оба вместе. Текстура создается предварительно с помощью фотолитографии или лазерного импульса. Принимая во внимание особенности способов создания текстурированной поверхности, затруднительно обеспечить точность получения заданной поверхности микроканалов, а, следовательно, и количество наносимого радиоизотопа. В этом случае не обеспечивается возможность получения источника питания со строго заданной мощностью.
Известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности (см. патент US Ns 8 487 392, МПК H01L 27/14), содержащая корпус, крышку с положительным и отрицательным электродами, разделенными изоляционной прокладкой и расположенные в корпусе в определенном порядке элементы 1,2,3,4 и 5.
Элемент 1 представляет собой разрезное кольцо, отвечающее за движение тока в батарее. Элемент 1 изготавливается из керамического материала, на котором методом осаждения формируют толстый золотой слой для получения низкоомного пути между верхней и нижней частями элемента. В керамике создают отверстие, в котором помещается элемент 2. Элемент 2 представляет собой бета-вольтаическое устройство на основе полупроводникового SiC, преобразующее энергию бета-излучения в электроэнергию и представляющего собой полупроводниковый преобразователь. На верхней и нижней сторонах полупроводникового преобразователя формируют методом осаждения омические контакты.
Элемент 3 - радиоизотопный элемент, представляющий собой радиоизотопную фольгу, объединенную с проводящим элементом и изолирующим участком, изготовленным из A1N. Проводящий элемент формируется методом осаждения и представляет собой толстый золотой слой для получения низкоомного пути между верхней и нижней частями элемента.
Элемент 4 - изоляционный элемент, изготовленный из A1N, снабженный проводящим элементом, формируемым методом осаждения и представляющим собой толстый золотой слой для получения низкоомного пути между верхней и нижней частями элемента 4.
Элемент 5 - последовательно включаемый элемент, содержащий радиоизотопную фольгу, изоляционный материал и проводящие участки. На боковых участках проводящие участки сформированы методом осаждения и представляют собой толстый золотой слой для получения низкоомного пути между верхней и нижней частями элемента 5. Ближайший к радиоизотопной фольге проводящий материал выполнен в виде проходящего через весь элемент проводящего кольца, которое также служит низкоомным путем между верхней и нижней частями элемента.
Для создания известной бета-вольтаической батареи с параллельными схемами используются элементы 1, 2, 3 и 4. В корпус последовательно устанавливаются изолирующий элемент 4, элемент 1 с размещенным в его отверстии элементом 2, элемент 3 с радиоизотопным источником и крышку. Вышеназванный набор элементов может быть сконфигурирован в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно до тех пор, пока не будет достигнута требуемая выходная мощность.
Для создания известной бета-вольтаической батареи с последовательными и параллельными схемами используются элементы 1, 2, 3, 4 и 5. При сборке комплекта в корпус последовательно устанавливают изолирующий элемент 4, элемент 1 с размещенным в его отверстии элементом 2, элемент 5 с радиоизотопным источником и проводящим кольцом, вновь элемент 1 с размещенным в его отверстии элементом 2 и элемент 3 с радиоизотопным источником. При этом между каждой комбинацией элементов 1 и 2 устанавливается элемент 5 с радиоизотопным источником и проводящим кольцом. Элемент 3 с радиоизотопным источником помещают над самым верхним элементом 2. Крышку с положительным и отрицательным электродами устанавливают на всю конструкцию, завершая, таким образом, комплектацию. Вышеназванный набор элементов может быть сконфигурирован в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно до тех пор, пока не будет достигнута требуемая выходная мощность.
Заявленный центральный радиоизотопный слой содержит один или большее количество следующих элементов: радиоизотоп тритий, никель-63, фосфор-33 или прометий. Известная бета-вольтаическая батарея выбрана заявителем в качестве прототипа.
Недостатком известной бета-вольтаической батареи является то, что ее выходные электрические параметры (напряжение и ток) определяется количеством элементов и их последовательным или параллельным соединением, осуществляемым при сборке, и в процессе эксплуатации не может меняться.
Кроме того, в бета-вольтаической батарее с параллельным соединением один элемент 3 с радиоизотопным источником размещен между элементом 2 с полупроводниковым преобразователем на основе SiC и изоляционным элементом 4, а второй элемент 3 установлен над самым верхним элементом 2. В результате у радиоизотопных элементов 3, используется только часть излучения одной стороны пластины, обращенной непосредственно в сторону примыкающего к радиоизотопу полупроводникового преобразователя, вследствие чего снижается эффективность использования (почти в 2 раза) дорогостоящего радиоизотопа.
В бета-вольтаической батарее с последовательным и параллельным соединением у элементов 5 используются обе стороны радиоизотопа, а у элементов 3 также используется только одна сторона.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой бета-вольтаической батареи, заключается в повышении ее удельной з мощности за счет наиболее полного преобразования полупроводниковыми преобразователями энергии излучения радиоизотопных элементов в электрическую энергию и использования радиоизотопного элемента (например, металлического никеля-63 или прометия- 147) в качестве электрических контактов между полупроводниковыми преобразователями, а также в создании возможности электрического соединения комплектов батареи с регулятором. Указанный технический результат достигается тем, что в бета-вольтаической батарее, содержащей корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи на основе р-п или p-i-n-структуры из кремния, соединений АЗВ5, твердых растворов алюминия, галлия, азота или фосфора (или всех вместе), выполненные с профилированным легированием, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности, полупроводниковые преобразователи с профилированным легированием выполнены с увеличенной областью пространственного заряда на всю ширину полупроводникового преобразователя.
Комплект собран из полупроводниковых преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между разнополярными поверхностями размещены токопроводящие радиоизотопные элементы.
Комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными по их периметру пазами, количество которых, как минимум, равно удвоенному количеству комплектов в бета-вольтаической батарее.
Противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, один из которых выведен на нижнюю поверхность изолирующего элемента в районе расположения паза, а второй - на верхнюю поверхность, причем токопроводящие контакты изолирующих элементов выполнены с возможностью их электрического соединения, как с токопроводящими контактами прилегающих к ним крайних полупроводниковых преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором.
В частном случае исполнения в качестве токопроводящего радиоизотопного элемента используется высокообогащённый изотоп никель-63. В частном случае исполнения токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей комплектов выполнены нанесением на п или р - слои токопроводящего металла, например меди.
В частном случае исполнения токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей комплектов выполнены нанесением на п или р - слои никеля - 63, оптимальной толщины.
Выполнение полупроводниковых преобразователей (далее по тексту - преобразователь) с профилированным легированием с увеличенной областью пространственного заряда на всю толщину p-η или p-i-n-структуры преобразователя позволяет получить наиболее полное преобразование энергии бета-излучения в электрическую энергию за счет уменьшения рекомбинации носителей заряда и уменьшения поглощения бета-частиц в слое материала преобразователя и, тем самым, повысить удельную мощность бета-вольтаической батареи (далее по тексту - батарея).
Кроме того, увеличение ширины области пространственного заряда, в которой происходит преобразование энергии бета-частиц в электрический ток на всю ширину p-η или p-i-n-структуры, позволяет полезно использовать излучение со стороны радиоизотопного элемента, обращенной в сторону р-слоя преобразователя, и создает возможность изготовления многослойных структур «радиоизотопный элемент - преобразователь», что также повышает удельную мощность батареи.
Сборка комплекта из преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, и размещение между ними токопроводящих радиоизотопных элементов позволяет, во-первых использовать излучение, испускаемое с обеих сторон радиоизотопным элементом, преобразуя его в электрическую энергию, во-вторых, осуществить электрическое последовательное соединение преобразователей между собой, используя токопроводящий радиоизотопный элемент в качестве электрического контакта между ними.
Разделение комплектов изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными по их периметру пазами, количество которых, как минимум, равно удвоенному количеству комплектов в бета-вольтаической батарее (далее по тексту-батарее) и снабжение противолежащих пазов изолирующих элементов токопроводящими контактами, позволяет при сборке батареи за счет поворота изолирующих элементов относительно друг друга на шаг между пазами иметь над всеми пазами с токопроводящими контактами свободные пазы без контактов и разместить в них проводники и, тем самым, создать возможность электрического соединения токопроводящих контактов с регулятором.
Выведение одного из токопроводящих контактов на нижнюю поверхность изолирующего элемента в районе расположения паза, а второго - на верхнюю поверхность и их выполнение с возможностью электрического соединения с токопроводящими контактами прилегающих к изолирующему элементу крайних преобразователей каждого комплекта, позволяет вывести на один контакт отрицательный заряд с η-слоя преобразователя, прилегающего к изолирующему элементу преобразователя снизу, а на второй контакт - положительный заряд с р - слоя преобразователя, прилегающего к изолирующему элементу сверху и, тем самым, создать возможность электрического соединения преобразователей комплектов батареи с токопроводящими контактами, расположенными в противолежащих пазах изолирующих элементов
Выполнение в противолежащих пазах изолирующих элементов токопроводящих контактов и наличие над контактами свободных пазов создает возможность электрического соединения каждого комплекта батареи с регулятором.
Использование в качестве токопроводящего радиоизотопного элемента никеля-63 с обогащением от 80% и выше, нанесенного на п - слои преобразователей, позволяет, во-первых, повысить удельную электрическую мощность батареи, во вторых, использовать никель-63 в качестве электрического контакта между п - слоем одного преобразователя, и р-слоем примыкающего к нему второго преобразователя.
Выполнение токопроводящих контактов крайних преобразователей комплектов нанесением на п или р - слои токопроводящего металла, например меди, позволяет осуществить их электрическое соединение с токопроводящими контактами изолирующих элементов.
Выполнение токопроводящих контактов в крайних преобразователях комплектов нанесением на п или р - слои никеля - 63, оптимальной толщины, позволяет осуществить их электрическое соединение с токопроводящими
б контактами изолирующих элементов, используя токопроводящий радиоизотопный элемент в качестве контакта между ними, а также повысить удельную мощность батареи.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - батарея в сборе с регулятором;
на фиг. 2 - выносной элемент с фиг. 1 ;
на фиг.З - разрез Б-Б с фиг. 1 ;
на фиг.4 - разрез А-А с фиг. 1;
Предлагаемая батарея 1 состоит (см. фиг. 1 и 2) из преобразователей 2, собранных стопкой в один или несколько комплектов 3, разделенных изолирующими элементами 4. На фиг. 1 приведена батарея, состоящая из трех комплектов. Преобразователи 2 в комплектах 3 направлены разнополярными поверхностями друг к другу, а между разнополярными поверхностями размещены токопроводящие радиоизотопные элементы 5. В качестве радиоизотопного элемента 5 используется высокообогащённый радиоизотоп никель-63, нанесенный на п - слои преобразователей 2. Верхний 6 и нижний 7 преобразователи каждого комплекта 3 снабжены контактами 8, выполненными нанесением на п или р - слои соответственно токопроводящего материала, например меди, причем на верхних преобразователях 6 контакты 8 наносятся на п - слои, а на нижних 7 - на р - слои. На изолирующих элементах 4 выполнены пазы 9, расположенные равномерно по периметру изолирующего элемента 4, а общее количество пазов 9 равно, как минимум, удвоенному количеству комплектов 3 в батарее 1 или превышает его в зависимости от конструкции батареи 1. Противолежащие пазы 9 изолирующих элементов 5 (см. фиг. 3) снабжены контактами 10 и 11, а остальные пазы 9 остаются свободными. Каждый контакт 10 состоит из токопроводящего участка 12, нанесенного на нижней поверхности 13 изолирующего элемента 5 в районе расположения паза 9, и соединенного с ним токопроводящего участка 14, расположенного непосредственно в пазе 9. Каждый контакт 11 состоит из токопроводящего участка 12, нанесенного на верхней поверхности 15 изолирующего элемента 5 в районе расположения противолежащего паза 9 и соединенного с ним токопроводящего участка 14, расположенного непосредственно в пазе 9.
В случае выполнения токопроводящих контактов крайних преобразователей 6 и 7 комплектов 3 нанесением на их п или р - слои радиоизотопного элемента 5, в частности никеля - 63, оптимальной толщины, их электрическое соединение с контактами 11 и 10, размещенных в пазах 9 изолирующих элементов 4, 16 и 17 осуществляется за счет непосредственного электрического контакта радиоизотопного элемента 4 с токопроводящим участками 12.
На верхнем изолирующем элементе 16 выполняется только контакт 10, соединенный с верхним преобразователем 6 расположенного под ним комплекта 3, а на нижнем изолирующем элементе 17 - контакт 11, соединенный с нижним полупроводниковым преобразователем 7 расположенного над ним комплекта 3. При сборке батареи 1 каждые расположенные над нижним изолирующим элементом 17 изолирующие элементы 5 и верхний изолирующий элемент 16 поворачиваются относительно друг друга на шаг между пазами 9, и в результате над всеми пазами с контактами 10 и 11 размещаются свободные пазы 9 без контактов 10 и 11. Каждый комплект 3 по наружному диаметру установлен в изолирующую втулку 18.
Батарея 1 размещается в корпусе 19 с закрепленными в нем нижним отрицательным электродом 20 и верхним положительным электродом 21, установленными в корпусе 19 через изолирующие прокладки 22 и 23. Пространство между корпусом 19 и комплектами 3 заполнено диэлектрической мастикой или компаундом 24. Нижний электрод 20, контакт 11 нижнего изолирующего элемента 17, контакты 10 и 11 изолирующих элементов 5, контакт 10 верхнего изолирующего элемента 16 и верхний электрод 21 соединены (см. фиг. 4) проводниками 25, 26, 27, 28, 29 и 30, с регулятором 31, установленным в корпусе 19 над верхним изолирующим элементом 16.
Предлагаемая батарея 1 и ее корпус 19, изолирующие элементы 5, 16 и 17 и полупроводниковые преобразователи 2, 6 и 7 могут быть выполнены квадратного или прямоугольного сечения с размещением электродов 20 и 21 в верхней части батареи 1. Получение в батарее 1 электрической энергии происходит следующим образом.
Бета-частицы, покидая поверхность радиоизотопного элемента 5, попадают в прилегающие к нему преобразователи 2. Обладая высокой энергией бета-частицы пролетают легированные либо р-, либо η-слои прилегающих преобразователей 2. Попадая в область пространственного заряда (ОПЗ) бета-частицы соударяются с атомами этой области. В связи с тем, что электрическая связь между атомом и электронами в ОПЗ существенно слабее, чем в р- и η-слоях преобразователей 2, происходит отрыв электрона от атома - генерация электронно-дырочной пары. Свободный электрон начинает стремить в область повышенного отрицательного заряда - в η-слой преобразователя 2. Соответственно остальные электроны в ОПЗ стремятся заполнить образовавшееся отсутствие электрона и также стремятся в область отрицательного заряда, тем самым, виртуально, атом с отсутствующим электроном как бы перемещается в область положительного заряда - в р-слой преобразователя 2. Таким образом между р- слоем и η-слоем преобразователя 2 возникает разность электрических потенциалов - напряжение. Бета-частица движется в области ОПЗ и генерирует электронно-дырочные пары до тех пор, пока не потеряет всю энергию.
Так как преобразователи 2 собраны в комплектах 3 с направлением разнополярных поверхностей друг к другу, а между разнополярными поверхностями размещены токопроводящие радиоизотопные элементы 5, то в результате в комплектах 3 осуществляется последовательное электрическое соединение преобразователей 2. С верхнего 6 и нижнего 7 преобразователей каждого комплекта 3, соединяющихся своими контактами 8 через токопроводящие участки 12 с контактами 11 и 10, размещенных в пазах 9 изолирующих элементов 4, 16 и 17 на контакт 10 поступает отрицательный заряд с η-слоя нижнего преобразователя 7, а на контакт 11 - положительный заряд с р - слоя верхнего преобразователя 6. Отрицательный и положительные заряды с контактов 10 и 11 по проводникам 26, 27, 28 и 29 подводятся к регулятору 31, с которого напряжение по проводникам 25 и 30 подводится к нижнему 20 и верхнему 21 электродам.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Бета-вольтаическая батарея, содержащая корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи на основе p-η или p-i-n-структуры из кремния, соединений АЗВ5, твердых растворов алюминия, галлия, азота или фосфора (или всех вместе), выполненные с профилированным легированием, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности, отличающаяся тем, что полупроводниковые преобразователи выполнены с увеличенной областью пространственного заряда на всю ширину полупроводникового преобразователя, комплект собран из полупроводниковых преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между разнополярными поверхностями размещены токопроводящие радиоизотопные элементы, комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными по их периметру пазами, количество которых, как минимум, равно удвоенному количеству комплектов в батарее, противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, один из которых выведен на нижнюю поверхность изолирующего элемента в районе расположения паза, а второй - на верхнюю поверхность, причем токопроводящие контакты изолирующих элементов выполнены с возможностью их электрического соединения как с токопроводящими контактами крайних полупроводниковых преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором.
2. Батарея по п. 1, отличающаяся, тем, что в качестве радиоизотопного элемента используется высокообогащённый никель-63, нанесённый на п - слои полупроводниковых преобразователей.
3. Батарея по п. 1, отличающаяся, тем, что токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей в комплектах выполнены нанесением на п или р - слои токопроводящего металла, например меди.
4. Батарея по п. 1, отличающаяся, тем, что токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей в комплектах выполнены нанесением на п или р - слои никеля - 63 оптимальной толщины.
ю
PCT/RU2017/000575 2016-08-04 2017-08-07 Бета-вольтаическая батарея Ceased WO2018026314A1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019527114A JP6720413B2 (ja) 2016-08-04 2017-08-07 ベータボルタ電池
KR1020197003009A KR102134223B1 (ko) 2016-08-04 2017-08-07 베타전지
EP17837322.1A EP3509104B1 (en) 2016-08-04 2017-08-07 Betavoltaic battery
US16/321,802 US20210296020A1 (en) 2016-08-04 2017-08-07 Beta-Voltaic Battery

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016132280A RU2632588C1 (ru) 2016-08-04 2016-08-04 Бета-вольтаическая батарея
RU2016132280 2016-08-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018026314A1 true WO2018026314A1 (ru) 2018-02-08

Family

ID=60040607

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000575 Ceased WO2018026314A1 (ru) 2016-08-04 2017-08-07 Бета-вольтаическая батарея

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210296020A1 (ru)
EP (1) EP3509104B1 (ru)
JP (1) JP6720413B2 (ru)
KR (1) KR102134223B1 (ru)
RU (1) RU2632588C1 (ru)
WO (1) WO2018026314A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018098825A1 (zh) 2016-12-02 2018-06-07 华为技术有限公司 一种工作模式的切换方法及用户设备
RU2731547C1 (ru) * 2019-12-26 2020-09-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Автономный бета-вольтаический источник питания
CA3241215A1 (en) * 2021-12-16 2023-06-22 Steven Christopher WHITEHEAD Electrical generator system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110031572A1 (en) * 2009-08-06 2011-02-10 Michael Spencer High power density betavoltaic battery
US20110291210A1 (en) * 2010-05-28 2011-12-01 Medtronic, Inc. Betavoltaic power converter die stacking
RU124856U1 (ru) * 2012-09-19 2013-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет" Автономный импульсный источник электрического питания с длительным сроком службы
US20130154438A1 (en) * 2011-12-20 2013-06-20 Marvin Tan Xing Haw Power-Scalable Betavoltaic Battery

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2120295C (en) * 1993-04-21 1998-09-15 Nazir P. Kherani Nuclear batteries
US5642014A (en) * 1995-09-27 1997-06-24 Lucent Technologies Inc. Self-powered device
US7692411B2 (en) * 2006-01-05 2010-04-06 Tpl, Inc. System for energy harvesting and/or generation, storage, and delivery
KR101257588B1 (ko) * 2009-03-12 2013-04-26 더 큐레이터스 오브 더 유니버시티 오브 미주리 고 에너지 밀도를 갖는 마이크로 방사성동위원소 파워 소스 장치
RU2414037C1 (ru) * 2009-11-16 2011-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Автономная фотоэлектрическая система электропитания
US9266437B2 (en) * 2012-07-23 2016-02-23 Ultratech, Inc. Betavoltaic power sources for transportation applications
TW201519456A (zh) * 2013-11-13 2015-05-16 Yun-Shan Chang 適應性太陽能集電裝置
US10784010B2 (en) * 2014-11-14 2020-09-22 Kinetic Energy Australia Pty. Ltd. Electrical generator system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110031572A1 (en) * 2009-08-06 2011-02-10 Michael Spencer High power density betavoltaic battery
US20110291210A1 (en) * 2010-05-28 2011-12-01 Medtronic, Inc. Betavoltaic power converter die stacking
US20130154438A1 (en) * 2011-12-20 2013-06-20 Marvin Tan Xing Haw Power-Scalable Betavoltaic Battery
RU124856U1 (ru) * 2012-09-19 2013-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный университет" Автономный импульсный источник электрического питания с длительным сроком службы

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3509104A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019529944A (ja) 2019-10-17
RU2632588C1 (ru) 2017-10-06
US20210296020A1 (en) 2021-09-23
JP6720413B2 (ja) 2020-07-08
EP3509104A1 (en) 2019-07-10
EP3509104A4 (en) 2020-05-06
EP3509104B1 (en) 2022-02-23
KR102134223B1 (ko) 2020-07-16
KR20190025671A (ko) 2019-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bormashov et al. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes
US8866152B2 (en) Betavoltaic apparatus and method
US3714474A (en) Electron-voltaic effect device
US20130154438A1 (en) Power-Scalable Betavoltaic Battery
US9099212B2 (en) Low volumetric density betavoltaic power device
WO2010105163A2 (en) High energy-density radioisotope micro power sources
US9391218B2 (en) Voltaic cell powered by radioactive material
RU2704321C2 (ru) Система электрического генератора
WO2018026314A1 (ru) Бета-вольтаическая батарея
KR20110120431A (ko) 방사선 선원이 전극을 겸하는 다층구조의 반도체 원자력 전지
RU170474U1 (ru) Радиоизотопный источник постоянного тока
RU90612U1 (ru) Источник электрического тока
WO1997048105A1 (en) Charged-particle powered battery
RU2641100C1 (ru) Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа 63 Ni и способ его получения
RU2608058C1 (ru) Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии
RU2605783C1 (ru) Планарный высоковольтный фото- и бетавольтаический преобразователь и способ его изготовления
RU2605758C1 (ru) Источник электрического питания
RU2670710C9 (ru) Радиоизотопный элемент электрического питания с полупроводниковым преобразователем, совмещенным с источником излучения
RU2605784C1 (ru) Комбинированный накопительный элемент фото- и бетавольтаики на микроканальном кремнии
RU2608313C2 (ru) Высоковольтный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления
RU168184U1 (ru) Планарный преобразователь ионизирующих излучений с накопительным конденсатором
RU2568958C1 (ru) Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию
Murashev et al. Silicon betavoltaic batteries structures
RU124856U1 (ru) Автономный импульсный источник электрического питания с длительным сроком службы
RU179476U1 (ru) Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17837322

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20197003009

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

Ref document number: 2019527114

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017837322

Country of ref document: EP

Effective date: 20190304