Моделирование работы 3D бетавольтаического элемента с двусторонним преобразованием

Бетавольтаические элементы имеют высокую плотность энергии, малый размер, могут обеспечить автономность работы электронных устройств на протяжении 10-100 лет [1]. Благодаря своим преимуществам такие источники энергии будут актуальны для электропитания датчиков специального и гражданского назначения, микроэлектромеханических систем, малогабаритных космических объектов и медицинских имплантатов.

Ключевой проблемой бетавольтаических преобразователей является низкое значение выходных параметров. В связи с этим была предложена 3D конструкция бетавольтаического элемента с двусторонним преобразованием, где лицевая часть элемента представляет собой планарную структуру, а тыльная – микроканальную. Особенность такой конструкции заключается в том, что радиоактивный элемент будет нанесен с двух сторон планарного p-n перехода. Данное решение позволит получить более высокие выходные параметры (ток короткого замыкания и напряжение холостого хода) по сравнению с конструкциями преобразователей, в которых радиоизотоп Ni-63 нанесен только с одной стороны [2].

С целью оптимизации конструкции проведено моделирование работы бетавольтаического элемента в среде Borland Delphi 7.

В качестве материала был выбран кремний n-типа с удельным сопротивлением 5 кОм·см, толщина структуры 470 мкм.

Параметры моделирования при размере бетавольтаического элемента 1см²:

- количество микроканалов: 666 шт.;

- глубина микроканала: 80 мкм;

- ширина микроканала: 12 мкм.

В качестве радиоактивного элемента был выбран Ni-63 с активностью 2,7 мКи.

Выходные параметры 3D бетавольтаического элемента с двусторонним преобразованием составили:

- ток короткого замыкания I_КЗ = 348 нА/см²;

- напряжение холостого хода U_ХХ = 182 В;

- мощность P = 40 нВт/см².

 

1. Murashev V.N., Legotin S.A., Rabinovich O.I., Krasnov A.A., Mordkovich V.N., PECULIARITIES OF BETAVOLTAIC BATTERY BASED ON SI, Журнал нано- и электронной физики. 2014. Т. 6. № 4. С. 4012.

2. Yurchuk S.Y., Legotin S.A., Murashev V.N., Krasnov A.A., Omel'chenko Y.K., Osipov Y.V., Didenko S.I., Rabinovich O.I., SIMULATION THE BETA POWER SOURCES CHARACTERISTICS, Журнал нано- и электронной физики. 2015. Т. 7. № 3. С. 03014.