Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка маломощного радиационно-стимулированного источника питания на основе кремниевой p-i-n структуры

Номер контракта: 14.575.21.0010

Руководитель: Леготин Сергей Александрович

Должность: Доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
бета-гальванический генератор, ядерная батарея, p-n-переход, область пространственного заряда, магнетронное напыление, радиоизотопы, бета-распад

Цель проекта:
1. Современное общество испытывает все большую потребность в энергии для питания широкого спектра электрических и механических устройств. Разработка новых источников питания с длительным скором службы и без необходимости регулярного обслуживания является в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем развития мобильных устройств, длительное время находящейся в удалении от стационарных источников питания. 2. Целью данного проекта является разработка и исследование экспериментальных образцов нового маломощного радиационно-стимулированного источника электрической энергии не имеющих аналогов в России.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате выполнения проекта должен быть изготовлен маломощный радиационно-стимулированный источник питания на основе радиоизотопа никеля-63 и кремниевой p-i-n структуры.
2. Разработанный экспериментальный образец маломощного радиационно-стимулированного источника питания на основе кремниевой p-i-n структуры должен удовлетворять следующим техническим параметрам:
- объем не более 1 см3;
- напряжение холостого хода (Uхх) не менее 0.3 В;
- ток короткого замыкания (Iкз) не менее 40 нА.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Маломощный радиационно-стимулированный источник питания на основе кремниевой p-i-n структуры может быть пригодным для питания электрических интегральных микросхем, автономных сенсоров и наносистем.
2. Новизна решения - создание элементов источника питания с применением технологии мелкозалегающего p-n перехода, снижения концентрации дефектов и двухстороннего преобразования.
3. Проведенная оценка полученных результатов показала, что параметры элементов маломощного источника питания превосходят параметры кремниевых аналогов в части генерации тока (нА/мКи).
Можно констатировать, что элементы на основе кремния ненамного уступают элементам на основе SiC и не уступают элементам, изготовленным из других широкозонных материалов. В то же время они намного дешевле, а технология изготовления различных структур на основе кремния хорошо разработана.
4. Разрабатываемый источник питания отличается от традиционных аккумуляторных и емкостных источников низкой вырабатываемой мощностью, но обладает долгим сроком службы, до 100 лет.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Высокая продолжительность работы радиационно-стимулированного источника питания открывает широкие возможности его применения в трех основных направлениях:
- в автономном режиме для слаботочных приборов;
- в паре с аккумулятором или конденсаторов для приборов, работающих в импульсном режиме;
- в паре с химической батареей для больших токов, выступая в качестве дополнительного зарядного устройства, повышая тем самым надежность и срок использования.
Так как технология изготовления элементов радиационно-стимулированного источника питания является масштабируемой, то результаты данной работы можно будет использовать для питания микроэлектромеханических систем и датчиков с низким энергопотреблением.
Данная разработка является перспективной для освоения промышленного производства, повышения экспортного потенциала России и снижения импортной зависимости в стратегически важных отраслях промышленности, таких как ядерная энергетика, авиакосмическая техника, медицина, а также специальная техника.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:
− Проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
− Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
−Проведены теоретическая оценка и математическое моделирование бетавольтаического элемента на основе кремниевой p-i-n структуры, определена конструкция бетавольтаического элемента;
− Разработаны топологические чертежи бетавольтаических элементов;
− Разработан технологический маршрут изготовления бетавольтаических элементов и маломощного радиационно-стимулированного источника питания;
− Разработан измерительный стенд для проверки параметров бетавольтаических элементов и маломощных радиационно-стимулированных источников питания.
− Разработаны программа и методики экспериментальных исследований;
− Были изготовлены экспериментальные образцы маломощного радиационно-стимулированного источника питания;
− Проведены исследования полученных экспериментальных образцов;
− Проведена сравнительная оценка полученных результатов;
− Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
Экспериментальные образцы маломощного радиационно-стимулированного источника питания на основе кремниевой p-i-n структуры имеют следующие основные технические характеристики:
В процессе выполнения прикладной научно-исследовательской работы были опубликованы статьи:
- Peculiarities of Betavoltaic Battery Based on Si в журнале Journal of nano- and electronic physics Vol. 6 No 4, 04012(2pp) (2014)
- Improvement of Si-betavoltaic batteries technology в журнале Advanced Materials Research Vol. 1070-1072 (2015) pp 585-588.
- Simulation the Beta Power Sources Characteristics в журнале Journal of nano- and electronic physics Vol. 7 No 3, 03014(5pp) (2015)
Представлены результаты работы на конференциях:
- XIII Научно-техническая конференция «Пульсар - 2014», Дубна 2014;
- Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики, Тольятти 2015;
- 8 EEIGM International Conference on Advanced Materials Reserch, Валенсия, Испания.
Принято участие в пятом международном молодёжном промышленном форуме «Инженеры будущего 2015».