БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ
BETA-VOLTAIC BATTERY

Изобретения относятся 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 №2452060, МПК H01L 31/04), 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 №8487392, 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 AlN. 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 AlN, 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) определяются 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.
Известно адаптивное устройство накопления энергии с первичным фотоэлектрическим преобразователем (см. патент US 2015/0130394 А1, МПК H02J 7/35), содержащее последовательно соединенные солнечную батарею, преобразователь напряжения, накопитель энергии и контроллер (устройство управления) зарядом накопителя энергии. Солнечная батарея играет роль первичного источника энергии.
Известное устройство реализует регулирование по величине входного напряжения контроллера управления зарядом, для управления зарядным током и напряжением в режиме пониженной входной мощности, например при снижении угла падения света на солнечную батарею. Чем больше напряжение, тем большая мощность отправляется на заряд накопителя энергии. Устройство осуществляет экстремальное регулирование отбираемой от солнечной батареи мощности по выходному напряжению преобразователя напряжения. Экстремальное регулирование мощности реализуется контроллером управления зарядом.
В качестве накопителя энергии указывается литий-ионный аккумулятор (или иной), содержащий датчик температуры, по показаниям которого контроллер управления зарядом может остановить зарядный процесс либо изменить его параметры.
Недостатком указанного устройства является то, что в нем отсутствует стабилизация напряжения на выходе.
Устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.
Задачи, на решение которых направлены предлагаемые изобретения, заключаются в повышении удельной мощности батареи и возможности управления и регулирования ее выходных электрических параметров в процессе эксплуатации.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой бета-вольтаической батареи, заключается в повышении ее удельной 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 p-n или p-i-n-структуры из кремния, соединений А3B5, 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 никель-63 с обогащением от 80%, нанесенный на n-слои полупроводниковых преобразователей.
В частном случае исполнения токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей комплектов выполнены нанесением на n- или p-слои токопроводящего металла, например меди.
В частном случае исполнения токопроводящие контакты крайних полупроводниковых преобразователей комплектов выполнены нанесением на n- или р-слои никеля - 63 толщиной 2-2,5 мкм.
Выполнение полупроводниковых преобразователей (далее по тексту - преобразователь) с профилированным легированием с увеличенной областью пространственного заряда на всю толщину p-n 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-n или p-i-n-структуры, позволяет полезно использовать излучение со стороны радиоизотопного элемента, обращенной в сторону p-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 n-слоя преобразователя, прилегающего к изолирующему элементу преобразователя снизу, а на второй контакт - положительный заряд с p-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 n-слои преобразователей, позволяет, во-первых, повысить удельную электрическую мощность батареи, во вторых, использовать никель-63 в качестве электрического контакта между n-слоем одного преобразователя и p-слоем примыкающего к нему второго преобразователя.
Выполнение токопроводящих контактов крайних преобразователей комплектов нанесением на n- или p-слои токопроводящего металла, например меди, позволяет осуществить их электрическое соединение с токопроводящими контактами изолирующих элементов.
Выполнение токопроводящих контактов в крайних преобразователях комплектов нанесением на n- или p-слои никеля-63 толщиной 2-2,5 мкм позволяет осуществить их электрическое соединение с токопроводящими контактами изолирующих элементов, используя токопроводящий радиоизотопный элемент в качестве контакта между ними, а также повысить удельную мощность батареи.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого регулятора, заключается в возможности управления и регулирования выходных электрических параметров батареи в процессе эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в регуляторе, содержащем блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь и стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов бета-вольтаической батареи.
Блок ключевых элементов выполнен с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам.
Схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходными контактами регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов бета-вольтаической батареи и с датчиком температуры, установленном в стабилизаторе напряжения.
В частном случае исполнения в качестве ключевых элементов используются электрические контакты и (или) полупроводниковые переключающие элементы.
В частном случае исполнения в качестве накопительных элементов используется электрохимический аккумулятор, или суперконденсатор, или конденсатор, или комбинация этих элементов.
Соединение блока ключевых элементов с контактами комплектов бета-вольтаической батареи, выполнение блока ключевых элементов с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам и определение устройством управления схемы соединения ключевых элементов позволяет в процессе эксплуатации изменять схему соединения комплектов и, тем самым, осуществлять управление и регулирование электрических выходных параметров батареи в процессе эксплуатации.
Выполнение обратной связи блока управления с выходом регулятора позволяет в зависимости от изменения сопротивления нагрузки и температуры окружающей среды стабилизировать выходные электрические параметры, в частности напряжение на выходе регулятора.
Использование в качестве ключевых элементов электрических контактов и (или) полупроводниковых переключающих элементов позволяет собрать схему соединения комплектов батареи с получением требуемых выходных электрических параметров.
Использование в качестве накопительных элементов электрохимического аккумулятора, или конденсатора, или комбинации этих элементов позволяет накапливать электрический заряд от комплектов преобразователей и использовать его при периодическом импульсном потреблении электроэнергии нагрузкой.
Установка датчика температуры в стабилизаторе напряжения позволяет осуществить компенсацию изменения электрических свойств полупроводниковых компонентов устройства в зависимости от температуры.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - батарея в сборе с регулятором;
на фиг. 2 - выносной элемент с фиг. 1;
на фиг. 3-разрез Б-Б с фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез А-А с фиг. 1;
на фиг. 5 - блок - схема регулятора;
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 радиоизотоп никель-63 с обогащением от 80% и выше, нанесенный на n-слои преобразователей 2. Верхний 6 и нижний 7 преобразователи каждого комплекта 3 снабжены контактами 8, выполненными нанесением на n- или p-слои соответственно токопроводящего материала, например меди, причем на верхних преобразователях 6 контакты 8 наносятся на n-слои, а на нижних 7 - на p-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 n- или p-слои радиоизотопного элемента 5, в частности никеля-63 толщиной 2-2,5 мкм, 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 p-, либо n-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 p- и n-слоях преобразователей 2, происходит отрыв электрона от атома - генерация электронно-дырочной пары. Свободный электрон начинает стремить в область повышенного отрицательного заряда - в n-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 p-слой преобразователя 2. Таким образом между p-слоем и n-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, размещенными в пазах 9 изолирующих элементов 4, 16 и 17, на контакт 10 поступает отрицательный заряд с n-слоя нижнего преобразователя 7, а на контакт 11 - положительный заряд с p-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.
Предлагаемый регулятор 31 (см. фиг. 5) содержит блок 32 ключевых элементов 33, блок 34 накопительных элементов 35 и блок управления 36, включающий преобразователь 37 напряжения с устройством управления 38, стабилизатор 39 выходного напряжения, и микроконтроллер 40. Блок 32 электрически соединен проводниками 26, 27, 28 и 29 с контактами 10 и 11 батареи 1. Стабилизатор 39 снабжен датчиком температуры 41. Блок управления 36 электрически соединен с нагрузкой 42.
Предлагаемый регулятор 31 работает следующим образом. Напряжение с комплектов 3 преобразователей 2 поступает на блок 32 ключевых элементов 33, который соединяется с блоком 34 накопительных элементов 35 электрической энергии. Блок 34 накопительных элементов 35 электрически соединяется с преобразователем 37 напряжения. Входное напряжение с накопительных элементов 35 в преобразователе 37 напряжения увеличивается до необходимой рабочей величины стабилизатора 39 выходного напряжения посредством использования периодической коммутации емкостных и индуктивных элементов преобразователя 37. В дальнейшем напряжение с преобразователя 37 напряжения поступает на стабилизатор 39 напряжения.
Стабилизатор 39 напряжения осуществляет установку и стабилизацию выходного напряжения, подаваемого на нагрузку 42. Управление стабилизатором 39 напряжения (установка напряжения стабилизации) осуществляется при помощи микроконтроллера 40 в сервисном режиме работы батареи 1 и регулятора 31. Датчик 41 температуры, установленный в стабилизаторе 39 напряжения, осуществляет управление закона стабилизации выходного напряжения с учетом изменения (компенсации) температурного режима стабилизатора 39. В сервисном режиме работы микроконтроллер 40 устанавливает схему коммутации блока 32 ключевых элементов 33, изменяя схему соединения комплектов батареи путем выдачи управляющих импульсов на блок 32 ключевых элементов.
Для запуска сервисного режима работы микроконтроллера 40 на шину питания нагрузки 42 подается модулированный цифровой сигнал, что позволяет подать питание на микроконтроллер 40 и осуществлять обмен цифровой информацией между микроконтроллером 40 и сервисным устройством, подключенным к электронно-вычислительной машине посредством стандартного протокола связи.