Brevet FR2104663A1 — publié le 19720421

ji \ x- La présente invention concerne les générateurs électriques utilisant l'effet radiovoltaïque, utilisables comme sources autonomes d'énergie, par exemple en horlogerie, en médecine et pour l'alimentation de circuits électroniques 5 à très faible consommation. On sait que le principe de l'effet radiovoltaïque est le suivant: lorsque des particules chargées pénétrent dans le réseau cristallin d'un semi-conducteur, elles créent par ionisation des paires électrons-trous. Une partie des paires est 10 collectée par la jonction n-p dans le semi-conducteur et créent une différence de potentiel à ses bornes. Ces particules chargées peuvent notamment être fournies par un radio-isotope et on peut ainsi constituer un générateur autonome à conversion directe de l'énergie des particules émises par le radio-isotope en ëlectri-15 cité. Il existe déjà des générateurs électriques autonomes utilisant l'effet radiovoltaïque. Ils utilisent l'association d'un semiconducteur formé par un monocristal de silicium dopé pour constituer une jonction n-p, et d'un émetteur constitué 20 par du prométhium 147 (émetteur $ de 200 kV d'énergie). Ces générateurs présentent des inconvénients liés notamment à l'emploi du prométhium. L'énergie du rayonnement beta de celui-ci nécessite pour de nombreuses applications une protection biologique qui accroît notablement le volume et le poids du 25 générateur. La période du prométhium, de 2,6 ans, est insuffisante pour que la durée de vie du générateur dépasse trois à cinq ans, c'est-à-dire une valeur qui ne constitue pas un avantage décisif sur les piles chimiques. Enfin la fragilité des monocristaux de silicium et leur faible rendement, de l'ordre de 1,1 %, 30 constituent des inconvénients supplémentaires. L'invention vise à fournir un générateur électrique à effet radiovoltaïque répondant mieux que les précédents aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il offre une durée de vie très supérieure et exige une protection moindre tout en 35 assurant un rendement au moins égal. Dans ce but l'invention propose notamment un générateur électrique comprenant, en association, une source de tritium et line cellule radiovoltaïque à couche mince de semi-conducteur à structure polycristalline. 1 3668-3 JF 70 19502 ■3 2104663 On peut notamment utiliser une couche mince de tellurure de cadmium Cd Te, de tellurure de zinc Zn Te ou même, en dépit de la valeur plus faible de la tension fournie, de sulfure de cadmium Cd S. 5 La source de tritium peut être constituée de façon classique par un support en acier inoxydable revêtu d'une couche mince de titane contenant le tritium sous forme d'hydrure. On peut également intégrer.le tritium dans le semi conducteur, ce qai permet d'atteindre, des rendements plus élevés. De toute 10 façon la longueur de la période de tritium (- 12,26 ans) autorise des durées de vie importantes, atteignant 20 ans. L1 invention, sera'mieux comprise à la lecture de la description qui suit de générateurs constituant des modes de réalisation données à titre d'exemples non limitatifs. La des-15 cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la Fig..1 montre très schématiquement un générateur de faible puissance, de l'ordre du microwatt., en coupe suivant un plan passant par son axe; - la Fig. 2 montre schématiquement:, en perspective, un 20 module élémentaire du générateur de la Fig. 1; - la Fig, 3 monte schématiquement, en coupe suivant l'axe, un module élémentaire constituant une variante de celui de la Fig. 2; - la Fig. 4 montre schématiquement un générateur destiné 25 à fournir une puissance plus élevée que celui de la Fig. 1, également en coupe suivant un plan passant par son axe; - la Fig. 5 montre schématiquement, en perspective, un module élémentaire du générateur de la Fig. 4; - la Fig. 6 montre le mode de constitution du gënêra-30 teur de la Fig. 4 par enroulement; - la Fig. 7, similaire à la fig. 6, montre une variante de réalisation. Le générateur montré schématiquement en Fig. 1, destiné à fournir une puissance faible, comporte un boîtier métallique, 35 par exemple en acier inoxydable, constitué par un anneau cylindrique 10 fermé par un fond 12 et un couvercle 14. Le couvercle, de forme annulaire, est raccordé de façon étanche. à l'anneau 10 par une soudure 16. Il est séparé d'un pion central 18, constituant B 3668-3 JF COPY 70 19502 3 2104663 sortie électrique, qui peut être également en acier inoxydable, par une bague isolante 20, en alumine par exemple. Dans le boîtier sont empilés une série de modules élémentaires générateurs du type illustré en Fig. 2 (où les épaisseurs sont très exagérées 5 pour plus de clarté}. Chacun des modules se compose d'une source 22, d'une cellule à semi-conducteur 24 et d'une feuille d'isolement 26 en mica ou ion film plastique. La feuille 26 en mica ou un film plastique présente une épaisseur de quelques microns et un diamètre correspondant à celui de la bague 'i 0. La source 22 et le 10 semi-conducteur 24 se présentent" sous forme de disques de même diamètre, légèrement inférieur à celui de la feuille de mica 26. La source 22 est par exemple constituée d'un disque en acier inoxydable revêtu par volatilisation d'une couche mince de titane 23 dans laquelle le tritium est retenu sous forme d'hydrure. 15 Les disques 22 sont constitués par une couche mince de semiconducteur à structure poiycrista1 line, éventuellement sur un support en molybdène de faible épaisseur. On peut notamment utiliser comme semi-conducteur le tellurure de cadmium ou tellurure de zinc sous une épaisseur comprise entre 15 microns 20 et 20 microns. Par un dopage approprié, â i'indium par exemple, • cette couche est de type N, La couche de type P est obtenue par un dépôt de tellurure de cuivre. L'ensemble des dépôts forme une épaisseur n'excédait pas 50 T 60 microns. En tenant compte de la faible énergie des particules 25 émises par le tritium, émetteur bêta dont le spectre en énergie ne dépasse pas 18 keV, on doit noter que pour arriver à un optimum de rendement, il faut utiliser des jonctions présentant des caractéristiques différentes de celles adoptées pour les cellules photovoltaïques utilisées dans des cellules solaires: 30 il faut, en particulier, que l'épaisseur de la zone de jonction soit plus importante, de 1'ordre de grandeur du parcours des bétas du tritium dans le semi-conducteur, soit un micron au moins; et que l'épaisseur de la fenêtre soit réduite. Il faut également que les courants inverses d'obscurité des jonctions, n'excèdent -9 35 pas 10 ampères par centimètre carré. Les modules une fois empilés dans le boîtier sont reliés électriquement par des conducteurs tels que celui illustré en 28 (Fig.1), en général suivant un montage série-parallèle. B 3668-3 JF COPY 70 19502 2104663 Le boîtier est e.nsuite mis sous vide et "scellé pour améliorer le rendement de conversion et protéger les cellules contre l'humidité avec ou sans un remplissage de gaz inerte(He, Ar, Xe, etc). On a réalisé des générateurs du type ci-dessus dans 5 lesquels la tension aux bornes de chaque module était supérieure à 100 millivolts en charge, le rendement étant de l'ordre de 1 % avec un flux particulaiœ de • l|tW/cm2 . Le module illustré à titre de variante de réalisation ei-> Fig. 3 se différencie de celui de la Fig. 2 en ce que la 10 source 22' est intégrée au disque 24' de semi-conducteur dont elle occupe une partie de l'épaisseur. On arrive ainsi à atteindre un rendement de l'ordre de 3 % et une tension par cellule de l'ordre de 200 mV. Les modules comportent encore des feuilles isolantes de mica 26' ou de film plastique destinés à les isoler. 15 L'intégration de la source dans le semi-conducteur s'effectue de la manière suivante, qui tient compte de ce que les cellules à structure polycristalline ne peuvent être portées à des températures supérieures à 150 degrés celsius et que seul un procédé d'intégration à froid est donc à envisager. Le procédé 20 comporte deux phases. 1) On pulvérise du titane sur la fenêtre de la cellule par bombardement ionique diode ou triode, procédés connus et commercialisés. 2) On imprègne la couche de titane obtenue par du tri-25 tium. L'imprégnation à froid est aisée à réaliser à la condition d'exclure les dispositifs de pompage à vapeurs d'huile. Les contacts électriques sont ensuite effectués en pulvérisant sur la couche de titane une grille de collection de courant. Le générateur illustré en Fig. 4 est destiné à fournir 30 des puissances plus élevées que le précédent et sera utilisé chaque fois que cette puissance atteint ou dépasse 10 ft-W. Il utilise non pas un empilement de modules élémentaires, mais un rouleau bobiné sur un noyau entretoise isolant. On retrouve sur la Fig. 4 un boîtier étanche comprenant un anneau 30 relié par 35 un fond-32 et un couvercle 34. Le couvercle est annulaire et séparé d'une sortie axiale de courant 38 par un anneau isolant en alumine 40 scellé sur l'acier inoxydable. Dans le boîtier est disposé un rouleau constitué par bobinage d'une structure allongée dont un tronçon est illustré schématiquement 40 en Fig. 5 (sur laquelle les épaisseurs sont encore une fois très B 3668-3 JF 70 19502 2104663 exagérées pour plus de clarté). L'élément support de cette structure est constitué par une feuille métallique 42 de faible épaisseur (feuille en molybdène d'une trentaine de microns d'épaisseur par exemple) recouverte d'une feuille de mica 44 de même largeur. Sur la feuille de molybdène 42 sont fixés en parallèle, par exemple par dépôt, les cellules radiovoltaïques 46 à couche mince polycristalline dont la largeur correspond également à la hauteur du boîtier. Sur les couche3minces 46 sont montées les sources 48, qui peuvent être reliées les unes aux autres pour 10 mettre en parallèle plusieurs cellules alors qu'un jeu longitudinal peut subsister entre toutes les cellules 46. La structure composite ainsi constituée est ensuite bobinée sur un noyau isolant 50 comme le montre la Fig. 6 pour former un rouleau. Les sources associées à un nombre important 15 de cellules successives peuvent être constituées par une seule et même bande de grande longueur, de quelques microns d'épaisseur. Le dépôt direct des couches semi-conductrices sur la feuille de molybdène conduit à une grande surface de conversion dans un faible volume. 20 Le rouleau de la Fig. 6, une fois complet et muni de ses-.jonctions électriques, est disposé dans le boîtier et fermé de façon étanche après mise sous vide. Les sorties de courant sont encore constituées d'une part par le couvercle, d'autre part par la sortie centrale 38 séparée du couvercle 34 par la bague 40, 25 Comme le montre la Fig. 7, on peut encore intégrer les sources à la couche semi-conductrice: on arrive alors à ion rouleau ne comportant plus que deux constituants, une feuille de mica 44' et une bande de molybdène 42' sur laquelle est disposée la couche semi-conductrice qui retient sur une partie de sa 30 profondeur le tritium. Cette disposition permet d'augmenter la compacité du générateur et d'arriver à une puissance de 50 microwatts électriques pour un encombrement inférieur à 40 cm3. Les avantages du générateur qui vient d'être décrit sur ceux antérieurement connus ressortent de la description 35 qUi précède : la durée de vie est augmentée, les dangers liés à l'emploi d'un émetteur radioactif sont extrêment atténués étant donné l'inocuité relative du tritium, le coût est très réduit (le prix des cellules à couche mince polycristalline étant environ dix fois moins élevé que celui des jonctions de 40 silicium et les sources de tritium étant relativement bon B 3668-3 JF 70 19502 2104663 marché). On peut en conséquence prévoir l'utilisation du générateur avec une protection légère, même pour des applications biologiques, telles que l'alimentation des stimulateurs cardiaques. On propose également d'étendre la présente invention 5 à l'association d'une cellule à.couche mince de semi-conducteur'' à structure polycristalline avec un autre radioisotope, émetteur bêta de faible énergie et de période plus longue que le tritium: le nickel 63 par exemple, dont la puissance spécifique est supérieure à une source de titane'tritié. 10 Le nickel 63 a une période de 120 ans et l'énergie maximale des bétas émis est de 67 keV. Une protection devient alors nécessaire pour les" applications biologiques. Les avantages par rapport au tritium sont: d'une part des densités de puissance électrique du,générateur supérieures, d'autre part une 15 meilleure stabilité de la puissance électrique délivrée durant les vingt années de durée de vie. Le prix est difficilement chiffrable à l'heure actuelle. La constitution de ce générateur . peut être réalisée de la même façon que ceux au tritium précédemment décrits. De 20 minces feuilles de nickel 63 (quelques microns) : sont disposées à la place 22 dans le générateur décrit figures 1 et 2 et à la place 48 dans le générateur décrit figures 5 et 6. B 3668-3 JP 70 19502 7 2104663 REVENDICATIONS 1. Générateur électrique à effet radiovoltaïque, caractérisé en ce qu'il comprend, en association, une source béta et une cellule radiovoltaïque à couche mince de semi-conducteur à structure polycristalline, la source béta étant intégrée au semi-conducteur. 5 2. Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le serai-conducteur est le tellurure de cadmium, le tellurure de zinc ou le sulfure de cadmium. 3. Générateur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source est au tritium. 10 4* Générateur suivant la revendication 1, 2 ou 3j caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de modules constitués chacun par une source et une cellule, les modules successifs étant séparés par une feuille isolante électrique. 5* Générateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce 15 que la feuille est en mica ou en film plastique. 6. Générateur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est constitué par enroulement d'une structure composite comprenant une feuille isolante et une bande de molybdène portant les cellules à effet radiovoltaïque auxquelles est intégrée la source. 20 7- Générateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille de molybdène présente une épaisseur inférieure à 30 microns. 8. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le tritium est intégré au semi-conducteur sur une fraction de l'épaisseur de celui-ci. B 3668.3 JF Nouvelles revendications déposées après premier projet d'avis documentaire.