16 septiembre 2020

Batería nuclear de alta densidad de potencia basado en diodos Schottky

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Prototipo de batería nuclear de alta densidad de potencia basado en diodos Schottky de diamante

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Utilizamos con éxito la técnica de despegue asistido por haz de iones para fabricar celdas de conversión de energía a base de diamante de 15 μm de espesor.

La eficiencia de conversión de energía (~ 5-6%) de las celdas producidas estaba limitada por un voltaje de circuito abierto relativamente bajo (~ 1.1 V).

Para las células de conversión producidas, se demostró una eficiencia de recogida de carga> 90%.

La batería nuclear compacta (~ 90 mm 3 , 0,35 g) ~ 1 μW se desarrolló y fabricó utilizando 200 celdas combinadas con ~ 24% de lámina de 63 Ni.

La densidad de potencia de la batería de 10 μW / cm 3 y la energía específica de 3300 mWh / g se lograron debido a la disminución del grosor de la celda.

Resumen

Presentamos aquí por primera vez la fabricación de un prototipo de batería betavoltaica que consta de 200 celdas de conversión única basadas en diodos de diamante de barrera Schottky que se han apilado verticalmente con ~ 24% de isótopo radiactivo 63 Ni. La potencia de salida eléctrica máxima de aproximadamente 0,93 μW se obtuvo en un volumen total de 5 x 5 x 3,5 mm 3 . Usamos la técnica de despegue asistido por haz de iones para obtener células de conversión de espesor mínimo comparable con la longitud de penetración característica de las partículas beta emitidas por 63Isótopo Ni. El valor obtenido de 15 μm estuvo limitado por la resistencia mecánica de las estructuras producidas y la fiabilidad del proceso. Para comprobar el rendimiento de las celdas de conversión basadas en diamantes delgados, realizamos mediciones de curvas IV con irradiación con haz de electrones en SEM. Descubrimos que la capa de sacrificio para la división de dicha celda de conversión delgada del sustrato de diamante HPHT no causó una degradación considerable de la eficiencia de recolección de carga del dispositivo. Como resultado, el prototipo fabricado proporcionó una densidad de potencia de salida de aproximadamente 10 μW / cm 3 , que es el valor más conocido para baterías nucleares basadas en radioisótopo 63 Ni. Además, la larga vida media de 63El isótopo de Ni le da a la batería una energía específica de aproximadamente 3300 mWh / g, que es un orden de magnitud más alto que el valor típico de las celdas químicas comerciales.

Palabras clave

Microbatería nuclear
Betavoltaico
Isótopo de níquel-63
Diodo Schottky
Diamante sintético
Implante de haz de iones