БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ И СПОСОБ ЕЁ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BETA-VOLTAIC BATTERY AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно, к получению энергии от радиоактивных источников и может быть использовано для изготовления бета-вольтаических батарей.
Уровень техники
Бета-вольтаическая батарея преобразует энергию бета-излучения в электричество, в частности, с помощью монокристаллов пьезоэлектриков. Принцип действия бета-вольтаической батареи сходен с солнечными батареями, только вместо светового излучения в первых используется бета-излучение от радиоактивного изотопа, что позволяет создавать источники питания в компактных форм-факторах, пригодных для использования в различном портативном мобильном оборудовании. Утверждается, что бета-вольтаические батареи не представляют опасности как источник радиоактивного излучения. В отличие от традиционных аккумуляторов такие батареи не греются при работе, а после исчерпания ресурсов изотопа не содержат токсичных веществ и, соответственно, не требуют специальных мер при утилизации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления бета-вольтаической батареи, раскрытый в патенте RU2668229, включающий изготовление преобразователей энергии, в ходе которого формируют на одной из сторон алмазной подложки жертвенный и остаточный слои посредством имплантации ионов с энергией не менее 100 кэВ с последующим отжигом подложки при температуре от 700 до 2000 °С в вакууме, затем синтезируют поверх остаточного слоя эпитаксиальный слой алмаза толщиной от 10 до 50 мкм, удаляют методом электрохимического травления жертвенный слой и отделяют эпитаксиальный слой алмаза с остаточным слоем от основной части подложки, после чего формируют электрические контакты преобразователей путём магнетронного напыления проводников на остаточный и эпитаксиальный слои, и их параллельную сборку в единую батарею. Недостатком известного способа является низкая энергетическая эффективность собранной батареи, что обусловлено неконтролируемыми флуктуациями выходных параметров полученных преобразователей, приводящими к тому, что рабочее напряжение единой батареи ограничено рабочим напряжением худшего из преобразователей, входящих в ее состав.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков известного аналога и создание бета-вольтаических источников питания модульного типа с длительным сроком службы и повышенной плотностью мощности.
Технический результат заключается в повышении эффективности получения электрической энергии батареи при снижении количества отбракованных преобразователей энергии за счет использования преобразователей энергии с различными значениями напряжений холостого хода и токов короткого замыкания.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления бета-вольтаической батареи изготавливают преобразователи энергии, в ходе чего формируют на одной из сторон алмазной подложки жертвенный и остаточный слои посредством имплантации ионов с энергией не менее 100 кэВ с последующим отжигом подложки при температуре от 700 до 2000°С в вакууме. Затем синтезируют поверх остаточного слоя эпитаксиальный слой алмаза толщиной от 10 до 50 мкм, жертвенный слой удаляют методом электрохимического травления и отделяют эпитаксиальный слой алмаза с остаточным слоем от основной части подложки. После этого формируют электрические контакты преобразователей энергии путём магнетронного напыления проводников на остаточный и эпитаксиальный слои. Для полученных преобразователей энергии измеряют напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Формируют группы преобразователей энергии таким образом, чтобы внутри каждой группы указанное напряжение преобразователей энергии отличалось не более, чем на заданную величину, предпочтительно не более, чем на 20%. При этом в каждой группе оставляют такое количество преобразователей энергии, чтобы при их параллельном электрическом подключении внутри группы все группы выдавали ток короткого замыкания с разницей не более заданной величины, предпочтительно, не более 20%. Каждую полученную группу преобразователей энергии закрепляют на проводящей подложке, изолированной от подложек других групп, и электрически соединяют преобразователи энергии внутри группы параллельно друг другу. Затем устанавливают группы преобразователей энергии на подложках внутри корпуса батареи и электрически соединяют группы преобразователей между выводами корпуса последовательно-параллельно друг с другом для достижения необходимых выходных вольт-амперных характеристик бета-вольтаической батареи. Устанавливают источник бета-излучения в виде изотопной пластины и закрывают крышку корпуса. В качестве источника бета-излучения используют, например, пластину, содержащую изотопы никеля 63, или прометия 147, или стронция 90. Источник бета-излучения может быть установлен над одним преобразователем энергии каждой из групп преобразователей энергии или несколькими группами преобразователей энергии при их планарном размещении и может быть прикреплен с помощью клея или установлен съёмно.
Бета-вольтаическая батарея включает корпус, имеющий по меньшей мере две контактные площадки и крышку, по меньшей мере две группы преобразователей энергии, закрепленных на по меньшей мере одной подложке, соединенных между собой параллельно и установленных внутри корпуса батареи, при этом группы преобразователей энергии соединены внутри батареи между собой последовательно. При этом напряжения холостого хода преобразователей энергии одной группы отличаются друг от друга не более чем на заданную величину, предпочтительно, не более чем на 20%, а токи короткого замыкания групп преобразователей энергии отличаются друг от друга не более чем на заданную величину, предпочтительно не более чем на 20%.
Краткое описание чертежей
На фиг.1-5 схематически показан процесс изготовления единичного преобразователя энергии;
На фиг.6 приведена кривая зависимости напряжения холостого хода от тока короткого замыкания для определения вольтамперных характеристик преобразователей энергии;
На фиг.7 показана схема сборки батареи;
На фиг.8 показана зависимость статистического распределения изготовленных преобразователей энергии по напряжению холостого хода;
На фиг.9 показана электрическая схема подключения преобразователей в единую батарею.
Осуществление изобретения
Далее со ссылками на фигуры чертежей приводится подробное описание возможных вариантов осуществления изобретения, которыми, однако, настоящее изобретение не ограничивается.
Для получения единичного преобразователя энергии на первом этапе методом температурного градиента при высоком давлении и высокой температуре (HPHT - High Pressure High Temperature) на алмазной затравке выращивают крупный монокристалл алмаза, который легируют путём добавления порошка бора (B) в ростовую среду для получения p-типа проводимости.
Синтезированный кристалл имеет секторы с различными физическими свойствами.
Импульсным лазером с рабочей длиной волны 532 нм вырезают пластину 1 толщиной порядка 350-500 мкм с кристаллографической ориентацией 001. Тем же лазером проводят предварительную лазерную шлифовку пластины 1 до толщины порядка 300 мкм. После этого выполняют механическую полировку пластины 1 свободным алмазным абразивом до толщины порядка 200 мкм и шероховатости менее 1 нм, контролируя нагрев пластины при полировке.
На заключительном этапе обработки проводят отмывку пластины 1 в ультразвуковой ванне с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), ацетона, изопропилового спирта и очищенной воды, после чего проводят отжиг пластины 1 в воздушной атмосфере при температуре 650-700 °С продолжительностью 5-60 минут.
-3
На следующем этапе проводят имплантацию ионов 2 в пластину 1. Для этого пластину 1 с помощью серебряной пасты наклеивают на подложку и используя ускоритель HVEE-500, имплантируют ионы гелия (He), водорода (H) или углерода (C) с энергией не менее 100 кэВ. При меньших энергиях ионы проникают недостаточно глубоко и вызывают разрушения приповерхностной кристаллической решетки алмаза, поэтому на нем невозможен дальнейший эпитаксиальный рост. Ионы 2 проникают вглубь пластины 1 и создают жертвенный (частично разрушенный) слой 3, закрытый сверху остаточным (неразрушенным) слоем 4. После имплантации пластину 1 отклеивают с использованием растворителя для клея, например, ацетона и проводят повторную отмывку пластины 1 в ультразвуковой ванне с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), ацетона, изопропилового спирта и очищенной воды. Затем проводят ее отжиг в вакууме при давлении не выше 10 мБар и температуре 700-2000°С.
Далее на полученной пластине 1 методом химического осаждения из газовой фазы (CVD, от Chemical Vapor Deposition) выращивают эпитаксиальный слой 5 толщиной от 10 до 50 мкм. Слой может быть легирован бором для создания p-типа проводимости или не легирован для создания i-типа проводимости. Затем методом электрохимического травления удаляют жертвенный слой 3 и отделяют эпитаксиальный слой 5 алмаза с остаточным слоем 4 от основной части пластины 1.
Эпитаксиальный слой алмаза подвергают обработке в течение от 5 до 30 минут кипящим раствором дихромата калия в концентрированной серной кислоте с концентрацией дихромата калия не менее 1 г на 50 мл концентрированной серной кислоты.
Полученным преобразователям 8 энергии на основе подложки из алмаза с помощью вышеуказанного лазера придают форму прямоугольника с несимметричной фаской на одном угле для идентификации рабочей стороны пластины 1. Выращенный методом CVD эпитаксиальный слой 5 может быть отполирован для устранения шероховатости.
В заключении методом магнетронного напыления на преобразователь наносят электрические контакты (омический контакт и контакт Шоттки), используя теневые маски из металла, кремния или другого твердого материала или контактные маски из фоторезиста. Маски необходимы для предотвращения запыления боковых торцов остаточного слоя 4 и эпитаксиального слоя 5.
Омический контакт 6 из сплава титана и платины толщиной порядка 100 нм наносят на остаточный слой 4. Для улучшения механических характеристик электрического контакта поверх сплава титана и платины может быть нанесен слой золота.
Контакт 7 Шоттки из платины или никеля толщиной от 10 до 50 нм наносят на эпитаксиальный слой 5.
После описанного выше изготовления преобразователей 8 энергии, в частности диодов, проводят измерение их вольтамперных характеристик (ВАХ) для определения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания.
ВАХ измеряют в темноте для исследования открытия диода, а именно, под действием УФ излучения - для определения напряжения холостого хода, и под воздействием бета-излучения пластины радиоактивного изотопа, например, никеля 63, или прометия 147, или стронция 90 или пучка электронного микроскопа, моделирующего излучение пластины никеля 63 или другого радиоактивного изотопа, например, прометия 147 или стронция 90, - для определения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Использование моделирующей излучение пластины никеля 63 или другого радиоактивного изотопа, например, прометия 147 или стронция 90, позволяет построить не только интегральную ВАХ, но и провести картирование ВАХ по поверхности преобразователя.
Дополнительно с помощью оптического микроскопа измеряют площадь контактов 7 Шоттки для всех преобразователей 8 энергии, или площадь контактов 7 Шоттки определяют по размерам отверстий в теневых масках.
По полученным результатам измеренных ВАХ формируют статистику по напряжению холостого хода для изготовленных преобразователей энергии 8, находят максимумы, определяемые стохастическим формированием характерных дефектов, ограничивающих напряжение на определенном уровне, и формируют из преобразователей 8 энергии группы, каждая из которых включает преобразователи 8 энергии со значениями напряжений, отличающимися не более чем на заданную величину, предпочтительно, не более чем на 20%. При большей разнице напряжений внутри группы преобразователи 8 энергии будут работать несогласованно друг с другом, что приведет к значительным потерям мощности батареи в сборе.
Каждая группа должна включать такое количество преобразователей 8 энергии, чтобы при их параллельном электрическом подключении внутри группы все группы выдавали ток короткого замыкания с разницей не более заданной величины, предпочтительно не более 20%. При большей разнице токов короткого замыкания групп эти группы будут работать несогласованно друг с другом, что приведет к значительным потерям мощности батареи в сборе.
Исходя из значения напряжений холостого хода и количества преобразователей 8 энергии в каждой группе, группы преобразователей энергии соединяют последовательно-параллельно таким образом, чтобы потери напряжения были минимальными. Для этого при параллельном подключении все преобразователи энергии данной группы должны иметь примерно одинаковое напряжение с разницей не более заданной величины, предпочтительно не более 20%. Величина тока короткого замыкания в каждой группе преобразователей также должна быть примерно одинаковой с разницей не более заданной величины, предпочтительно не более 20%, и при последовательном подключении все группы преобразователей 8 энергии должны выдавать примерно одинаковый ток короткого замыкания.
Каждую группу преобразователей 8 энергии омическими контактами 6 прикрепляют к индивидуальной проводящей подложке 9, изолированной от проводящих подложек 9 других групп.
При последовательном соединении групп преобразователей 8 энергии общая токопроводящая подложка 9 для одной группы преобразователей 8 энергии соединяется с верхним электродом (контактом 7 Шотки) другой группы преобразователей 8 энергии. Таким образом, соединив один контакт 7 Шоттки одной группы преобразователей 8 энергии с токопроводящей подложкой другой группы преобразователей 8 энергии, получают последовательное соединение групп преобразователей 8 энергии.
При планарном размещении групп преобразователей 8 энергии подложка 9 может быть выполнена из единой пластины диэлектрика с отдельными токопроводящими частями, к которым прикреплены группы преобразователей 8 энергии. Электрическая связь между верхними электродами (контактами 7 Шоттки) преобразователей 8 энергии внутри групп и между группами преобразователей 8 энергии, а также соединение между электродами корпуса осуществляют посредством металлических проводников толщиной 30-300 мкм и/или токопроводящего клея.
Поверх преобразователей 8 энергии устанавливают пластину радиоактивного изотопа 11, например, никеля 63, или прометия 147, или стронция 90. При планарном размещении сборок группы преобразователей 8 энергии нижнего уровня могут быть накрыты одной общей изотопной пластиной.
Бета-вольтаическая батарея включает керамический корпус, по меньшей мере две контактные площадки 10, где корпус имеет внутренний размер более 10 х 10 мм и высоту рабочего объема более 1 мм. Внутренние и внешние размеры корпуса будут зависеть от количества устанавливаемых внутрь преобразователей 8 энергии (групп преобразователей 8 энергии), для получения необходимых ВАХ бета-вольтаической батареи. Внутрь корпуса устанавливают группы преобразователей 8 энергии, прикрепленные к подложкам 9, при этом подложки 9 тех преобразователей 8 энергии, которые должны быть подключены последовательно (преобразователи 8 энергии, относящиеся к разным группам), отделяют от других подложек посредством диэлектрических участков.
Подложки 9 могут быть выполнены из диэлектрического материала, обеспечивающего электрическую изоляцию преобразователей 8 энергии от корпуса и групп преобразователей 8 энергии друг от друга. Подложка снабжена проводящей частью, на которую наклеивают омические контакты 6 выбранной группы преобразователей 8 энергии, требующие параллельного соединения (преобразователи 8 энергии, относящиеся к одной и той же группе). Такие подложки 9 с установленными на них преобразователями 8 энергии могут быть установлены внутри корпуса батареи в стопку.
При планарном размещении групп преобразователей 8 энергии подложка 9 может быть выполнена из единой пластины диэлектрика с разделенными токопроводящими частями, на которые наклеены группы преобразователей 8 энергии.
Электрическую связь между верхними электродами (контактами 7 Шоттки) преобразователей 8 энергии внутри групп преобразователей 8 энергии и между группами, а также соединение с электродами корпуса осуществляют посредством металлических проводников толщиной 30-300 мкм и/или токопроводящего клея, например, серебряной или никелевой пасты.
Поверх преобразователей 8 энергии устанавливают изотопные пластины 11, содержащие изотоп никель 63, или прометия 147, или стронция 90. При планарном размещении групп они могут быть закрыты одной общей изотопной пластиной 11.
Пример.
Изготовили 29 преобразователей 8 энергии размером 3-5×3-5 мм и измерили их вольтамперные характеристики (ВАХ). Измерение вольтамперных характеристик для каждого из преобразователей 8 энергии осуществляли с помощью системы исследования полупроводников Keithley 4200-SCS при комнатной температуре в темноте. Полученные значения напряжений холостого хода и токов короткого замыкания представлены в таблице.
Статистическое распределение преобразователей 8 энергии по напряжению холостого хода представлено на фиг.8.
После этого по полученным данным все преобразователи 8 энергии распределили по четырем группам так, чтобы в каждой группе были преобразователи 8 энергии с близкими ВАХ (не более 20%) следующим образом.
Первая группа включает семь преобразователей 8 энергии, при этом суммарный ток короткого замыкания составляет 3,06 нА, а разница между минимальным (0,56 В) и максимальным (0,63 В) значением напряжения холостого хода в группе не превышает 20%.
Вторая группа включает одиннадцать преобразователей 8 энергии, при этом суммарный ток короткого замыкания составляет 3,39 нА, а разница между минимальным (0,66 В) и максимальным (0,79 В) значением напряжения холостого хода в группе не превышает 20%.
Третья группу включает четыре преобразователя 8 энергии, при этом суммарный ток короткого замыкания составляет 2,93 нА, а разница между минимальным (0,86 В) и максимальным (0,97 В) значением напряжения холостого хода в группе не превышает 20%.
Четвертая группа включает семь преобразователей 8 энергии, при этом суммарный ток короткого замыкания составляет 3,43 нА, а разница между минимальным (1,01 В) и максимальным (1,13 В) значением напряжения холостого хода в группе не превышает 20%.
Полученные группы преобразователей 8 подключили согласно схеме, представленной на фиг.9.
Ток короткого замыкания (КЗ) батареи будет равен минимальному значению суммарного тока КЗ группы преобразователей 8 энергии (суммарный ток КЗ «наихудшей» группы). Таким образом, величина общего тока короткого замыкания батареи составляет 2,93 нА.
Поскольку группы преобразователей 8 энергии соединены последовательно, напряжение холостого хода батареи рассчитывают по сумме минимальных значений напряжений всех четырех групп. Таким образом, значением напряжения холостого хода для батареи будет 3,09 В.
Таблица
№Преобразователи 8 энергии
Напряжениехолостого хода, В
Ток короткогозамыкания, нА
Группа
1
0,56
0,41
1
2
0,56
0,39
1
3
0,58
0,48
1
4
0,61
0,43
1
5
0,62
0,46
1
6
0,62
0,49
1
7
0,63
0,4
1
8
0,66
0,29
2
9
0,66
0,32
2
10
0,68
0,39
2
11
0,71
0,36
2
12
0,71
0,34
2
13
0,72
0,35
2
14
0,75
0,33
2
15
0,78
0,32
2
16
0,78
0,31
2
17
0,79
0,38
2
18
0,86
0,45
3
19
0,91
0,61
3
20
0,91
0,58
3
21
0,93
0,63
3
22
0,97
0,66
3
23
1,01
0,42
4
24
1,02
0,49
4
25
1,05
0,48
4
26
1,06
0,51
4
27
1,09
0,52
4
28
1,12
0,51
4
29
1,13
0,5
4
Таким образом, предложенный способ позволяет использовать, по существу, все изготовленные преобразователи 8 энергии в одной батарее, обеспечивая при этом максимальную эффективность получения электрической энергии за счёт источника бета-излучения.