ГИБКИЙ БЕТАВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
FLEXIBLE BETA-VOLTAIC ELEMENT

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры.
Известен полупроводниковый преобразователь бета-излучения в электроэнергию (патент РФ №2452060, МПК H01L 31/04, G01H 1/00, опубл. 27.05.2012), который содержит пластину полупроводника с текстурированной поверхностью, диодную структуру вдоль текстурированной поверхности и слой радиоактивного вещества на текстурированной поверхности. Хекстурированная поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества сквозных каналов, имеющих форму круга, овала, прямоугольника или другую произвольную форму, а радиоактивное вещество, содержащее радионуклид никель-63, тритий или оба вместе, покрывает стенки каналов и большую часть остальной поверхности пластины полупроводника.
Недостатками такого источника являются сложная технология изготовления, требующая большого расхода дорогостоящего изотопа, а также бесполезные потери бета-излучения, большая часть которого поглощается стенками макропор.
Также известна бета-вольтаическая батарея высокой удельной мощности, состоящая из набора плоских элементов, каждый из которых состоит из трех тонких пластин из электроизоляционного материала (патент США №8487392, МПК H01L 27/14, опубл. 16.07.2013). Одна из пластин, на поверхность которой нанесен радиоактивный изотоп никель-63, фосфор-33 или прометий-147, является источником бета-излучения, на поверхность другой пластины последовательно нанесены электроды, образующие выпрямляющий и омические контакты тонкопленочного полупроводникового преобразователя, а третья пластина служит для взаимной электроизоляции соседних элементов. Для коммутации элементов в батарею используется металлизация на периферии пластин.
Недостатком такого элемента является использование в источнике излучения и полупроводниковом преобразователе изоляционных пластин-подложек, не участвующих в рабочем процессе, изготовленных из хрупкого материала, не обладающего достаточной гибкостью, а также бесполезные потери бета-излучения с одной стороны источника в толще электроизоляционного материала. Это снижает эффективность (коэффициент полезного действия) батареи и ограничивает возможности дальнейшего повышения ее весогабаритных характеристик.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является радиоизотопный элемент электрического питания с источником бета-излучения в виде фольги, содержащей изотоп никель-63, помещенной между двумя полупроводниковыми преобразователями, скоммутированными с помощью металлических контактов. Вся конструкция помещается в корпус и соединяется с внешними электрическими контактами (Е.С. Пчелинцева, С.Г. Новиков, А.Н. Беринцев, Б.М. Костишко, В.В. Светухин, И.С. Федоров. Радиоизотопный элемент электрического питания. Ульяновский государственный университет при поддержке Госкорпорации «Росатом». - http://www.rusnauka.com/21_SEN_2014/Phisica/6_174557.doc.htm).
Недостаток такого радиоизотопного элемента электрического питания заключается в том, что его весогабаритные характеристики в значительной степени определяются наличием корпуса, его толщиной, а также толщиной полупроводниковых преобразователей, которые используются в данном элементе, что в сумме может составлять несколько миллиметров.
Задачей изобретения является улучшение весогабаритных характеристик бета-вольтаических элементов.
Поставленная задача решается тем, что в бета-вольтаический элементе, содержащем источник бета-излучения, выполненный в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, окруженный, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем, согласно изобретению преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла, на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой.
Электрический контакт, нанесенный на слой полупроводникового оксида вентильного металла, может быть выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым слоем барьер Шоттки.
В слое полупроводникового оксида вентильного металла может быть сформирована выпрямляющая гетероструктура.
В качестве вентильных металлов могут быть использованы титан, ниобий, цирконий или ванадий.
Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура.
Использование фольги из вентильного металла и его же полупроводникового оксида обеспечивает прочное сцепление полупроводникового слоя с металлом фольги при деформациях преобразователя. Это позволяет сделать рассматриваемый бета-гальванический элемент гибким, которому в дальнейшем можно придать компактную форму (свернуть в рулон, сложить «гармошкой» и т.п.). Для такого элемента не требуется корпус, так как его роль играет упомянутая фольга из вентильного металла, что ведет к значительному улучшению весогабаритных характеристик.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.
На фиг. 1 показано поперечное сечение гибкого бета-вольтаического элемента, в котором электрический контакт выполнен в виде сплошного металлического покрытия.
На фиг. 2 показано поперечное сечение гибкого бета-вольтаического элемента, в котором в слое полупроводникового оксида вентильного металла сформирована выпрямляющая гетероструктура.
На фиг. 1 источник бета-излучения в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп, окружен одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем, выполненным в соответствии с заявленным изобретением в виде фольги 2 из вентильного металла. Фольга 2 сложена таким образом, что источник бета-излучения размещен в ее складке. При этом на внутренней стороне фольги 2 сформирован слой 3 полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла. На слой 3 нанесен электрический контакт 4 в виде сплошного металлического покрытия, образующего с полупроводниковым оксидом используемого вентильного металла барьер Шоттки, пропускающий электрический ток через слой 3 только в одном направлении. Токосъем с электрического контакта 4 осуществляется через фольгу 1, содержащую радиоактивный изотоп.
На фиг. 2 источник бета-излучения в виде фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп окружен двумя прилегающими к нему полупроводниковыми преобразователями, выполненными в соответствии с заявленным изобретением в виде фольги 2 из вентильного металла, на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой 3 полупроводникового оксида указанного металла. При этом способность полупроводникового слоя 3 пропускать ток только в одном направлении обеспечивается тем, что в слое 3 сформирована выпрямляющая полупроводниковая гетероструктура. На слой 3 нанесены электрические контакты 4, которые обеспечивают токосъем с полупроводникового оксида через металл фольги 1, содержащей радиоактивный изотоп.
Гибкий бета-вольтаический элемент, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, функционирует следующим образом.
При поглощении бета-излучения источника 1 в полупроводниковом слое 3 преобразователя возникают термодинамически неравновесные (избыточные) носители противоположного электрического заряда (электронно-дырочные пары). В результате способности этого слоя пропускать электрический ток только в одном направлении, эти носители расходятся к его противоположным поверхностям, создавая бета-вольтаический эффект и напряжение в цепи между фольгой 1 и фольгой 2.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения.
В гибком бета-вольтаическом элементе в качестве источника излучения использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63. В качестве радиоактивного элемента в заявляемом изобретении могут использоваться также прометий-147, америций-241 или кадмий-113.
Для формирования полупроводникового преобразователя использовали фольгу из титана толщиной ~100 мкм, поверхность которой для получения полупроводникового слоя окисляли в водяном паре и подвергали дополнительной гальванической обработке согласно известной технологии, применявшейся в прошлом при изготовлении титановых выпрямителей (Ф.А. Маковский, Е.П. Усачев. Выпрямители на основе полупроводниковой окиси титана. - М.: Наука, 1966).
Для формирования полупроводникового преобразователя с барьером Шоттки на окисленную в соответствии с вышеупомянутой технологией поверхность титановой фольги наносили электрический контакт в виде сплошного никелевого покрытия толщиной ~0,5 мкм, не прибегая к термообработке.
x
y
z
В другом из двух упомянутых исполнений бета-вольтаического элемента также использовали никелевую фольгу толщиной ~3 мкм, содержащую изотоп никель-63 и титановую фольгу толщиной ~100 мкм. В полученном на фольге оксидном слое формировали выпрямляющую полупроводниковую гетероструктуру NiTiO (0<x<1, 0<y<1, 1<z<3) на основе окислов титана и никеля (Г.П. Стефанович, А.Л. Пергамент, П.П. Борисков и др. Зарядоперенос в выпрямляющих оксидных гетероструктурах и оксидные элементы доступа ReRAM. Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 5, стр. 650-656). Для этого на окись титана наносилось никелевое покрытие толщиной ~0,1 мкм с последующей термообработкой полупроводникового слоя в кислородсодержащей среде. В качестве электрических контактов, нанесенных на этот слой, использовалось углеродное покрытие (сажа) толщиной ~1 мкм.
В обоих случаях толщина полупроводникового преобразователя не превысила 0,25 мм и уменьшилась, по крайней мере, на порядок по сравнению с прототипом.
Таким образом, в результате решена задача по улучшению весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента.