Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка 3D бетавольтаического элемента на основе кремния с двусторонним преобразованием
НТТМ-2017-1164 | Категория II

Автор:

Синева Мария Владимировна

Кочкова Анастасия Ильинична

Краснов Андрей Андреевич

Научный руководитель:
Леготин Сергей Александрович
Организация:
НИТУ «МИСиС»,
Москва
Цель работы
Развитие в области электроники и нанотехнологий приводит к снижению латеральных размеров приборов и потребляемой ими энергии. В связи с этим появляется требование к разработке источников питания нового поколения, которые смогут обеспечить минимальный объем и длительный срок службы. Потребность в миниатюрных, интегрированных на кристалле, источниках питания с длительным сроком службы, присутствует во многих направлениях, например, в космических аппаратах, в подземных, подводных, полярных или высокогорных районах.
Бетавольтаические батареи обладают хорошим потенциалом для решения такого типа задач. Кроме того их плотность энергии выше, чем у химических батарей или ископаемого топлива в 10^2 - 10^4 раз.
Большинство бетавольтаичских источников питания состоит из полупроводникового преобразователя (диода) и нанесенного на него радиоизотопа. Так как излучение радиоизотопов изотропно то половина β-частиц не достигает поверхности преобразователя с планарной конструкцией, вследствие этого эффективность преобразования и выходные характеристики (ток короткого замыкания и напряжение холостого хода) не достигают максимальных величин.
В связи с этим проект направлен на разработку 3D конструкции бетавольтаического элемента на основе кремния с двусторонним преобразованием. Особенностью такой конструкции является высокое значение общей поглощающей площади преобразователя. Основная задача данной разработки заключается в увеличении выходных характеристик бетавольтаического элемента, а также повышения его производительности.
Обзор предметной области
Основное направление в развитии бетавольтаических преобразователей направлено на разработку новых типов конструкций и использование широкозонных полупроводниковых материалов. Большинство предыдущих разработок сводится к использованию планарной конструкции, но в связи с продвижениями в области нанотехнологий за последние годы множество ученых и исследователей приступили к разработке новых 3D конструкций.
В проекте разработана 3D конструкция на основе кремния и бета-источника Ni-63 с двухсторонним преобразованием излучения. Источник бета-излучения (Ni-63) наносится с обеих сторон преобразователя. Данное решение позволит получить более высокие выходные параметры (ток короткого замыкания и напряжение холостого хода) по сравнению с конструкциями, в которых радиоизотоп нанесен только с одной стороны. Особенностью разработанной 3D конструкции бетавольтаического элемента является высокое соотношение поглощающей площади к объему полупроводникового материала. Такое техническое решение позволяет поглощать до 100 % падающего излучения и получать большую выходную электрическую мощность на единицу объема преобразователя и увеличить выходную мощность на 20-30 % по сравнению с существующими аналогами.
На сегодняшний день фирмы, которые выпускают радиационно-стимулированные источники питания можно пересчитать по пальцам. Одной из таких фирм является фирма City Labs Inc. Ею были разработаны автономные источники питания со сроком службы до 20 лет под маркой NanoTritium™ на основе кремния и трития. Еще одним конкурентом является американская компания BetaBatt, Inc. Компания имеет патенты на 3D конструкции элементов преобразователей энергии на основе нанопористого кремния. По состоянию на 2010 год производство компанией BetaBatt, Inc. так и не было начато по неизвестной причине. Компания Widetronix Inc. производит источники питания, и используют в качестве полупроводникового материала карбид кремния. Сфера деятельности компании направлена на защиту американских ракетных технологий от компрометации. Последние разработки фирмы Widetronix лежат в области создания миниатюрного источника питания для физиомониторинга и терапевтических применений. В настоящее время Widetronix осуществляет продажу источников питания под маркой Firefli™. На территории РФ производство таких источников питания на сегодняшний день отсутствует. Потенциальная конкуренция в данном направлении ожидается лишь со стороны США, Канады и Китая.
Ранее проведены исследования возможности создания конструкции с двухсторонним преобразованием (Development of betavoltaic cell technology production based on microchannel silicon and its electrical parameters evaluation / A.A. Krasnov, V.V. Starkov, S.A. Legotin, S.I. Didenko, V.N. Murashev, E.B. Yakimov, M.V. Sineva // Applied Radiation and Isotopes 121 (2017) 71–75). В проведенной работе исследовались уровни легирования, технологические режимы и активность радиоизотопа. Проведено исследование методов создания вертикальных каналов и технологии нанесения металлов на их поверхность (Исследование микроканальных структур для бетавольтаического применения / А.А. Краснов, С.А. Леготин, С.И. Диденко, М.В. Синева, Е.Б. Якимов, В.В. Старков / XXVI Российская конференция по электронной микроскопии).
Описание результатов проекта
В ходе работы над проектом был проведен аналитический обзор литературы в области бетавольтаических источников питания, патентное исследование международных и российских документов в области разработки автономных источников питания, математическое моделирование работы элемента, а также оптимизация физико-топологических параметров конструкции.
Было установлено, что наиболее оптимальным материалом преобразователя является кремний, а в качестве радиоактивного материала – Ni-63, который не имеет побочных альфа- и гамма- излучений, к тому же его энергия излучения ниже энергии дефектообразования в кремнии (170 кэВ). В результате моделирования было выявлено, что увеличение количества микроканалов и их глубины ведет к увеличению активной площади поверхности преобразователя, что существенно влияет на величину тока короткого замыкания и тем самым на эффективность преобразования энергии бета-частиц.
Новизна проекта заключается в разработке новой 3D структуры преобразователя, в которой верхняя часть является планарной, а нижняя – микроканальной. Особенностью такой конструкции является то, что радиоактивный элемент будет нанесен с двух сторон планарного p-n перехода. Использование планарного p-n-перехода позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также дает возможность контролировать равномерность легирования областей, что позволяет получить диод высокого качества. Микроканальная структура позволит увеличить эффективность преобразования бета-излучения.
Описание применимости
Источники питания, работающие на бетавольтаическом эффекте, имеют большой срок службы (в зависимости от используемого радиоизотопа) и малые габаритные размеры, что позволит обеспечить автономность работы маломощных электронных устройств в течение 50 лет. Благодаря своим преимуществам такие источники энергии будут актуальны для электропитания датчиков специального и гражданского назначения, микроэлектромеханических систем, малогабаритных космических объектов и медицинских имплантатов. Бетавольтаические батареи особенно полезны в сферах деятельности, где невозможно применить солнечные батареи. Основное ограничение таких источников питания заключается в низкой выходной мощности, которая способна обеспечить энергией нановаттные приборы.
Дальнейшее развитие проекта
Направлением будущих исследований является оптимизация структур по соотношению объема к выделяемой энергии. В последнее время появились технологии утонения полупроводниковых пластин до толщин 40 - 100 мкм, что соизмеримо с глубиной проникновения β-частиц в кремний (35 мкм). Такая толщина пластин позволяет создавать "тонкие" конструкции кремниевых р-i-n диодов с близкими к оптимальным размерами квазинейтральных областей и областей пространственного заряда от 10 до 25 мкм. Направление создания трехмерных структур, связанных с компоновкой тонких (40-100 мкм) планарных структур не заявлено, что представляет перспективу для патентования и проведения технологических работ в этом направлении. Таким образом, представляется интересным получение тонких структур бетавольтаических преобразователей с новыми характеристиками, например, структур с увеличенной общей поглощающей поверхностью. На основе бетавольтаического преобразователя возможно создавать прецизионные датчики температуры и гибридные солнечные элементы, которые будут вырабатывать энергию в независимости от освещения. На их основе так же можно реализовать энергонезависимый датчик угла поворота или датчик скорости вращения оси. Необходимо развивать сотрудничество вузов с предприятиями полупроводниковой промышленности и компаниями, основной профиль которых заключается в изготовлении радиоизотопов. Сотрудничество такого уровня позволит внедрять в производство новые приборы и идеи, реализуемые исследовательскими вузами. Необходимо привлечь квалифицированный персонал в части создания высокообогащенного радиоизотопа никеля. Кроме того нужно провести исследования по стойкости к внешним воздействующим факторам, что позволит уточнить сферу их применения.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru