Ultrahigh efficient betavoltaic cells using diamond pn junction

使用金刚石 pn 结的超高效率贝塔伏特电池

基本信息

批准号：
21K18000
负责人：
嶋岡毅紘
金额：
$ 3万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ベータボルタ電池はβ線源とダイオードを組み合わせた発電デバイスである。数十年以上の長い電池寿命のため宇宙、深海等の極限環境でのリモートセンサへの給電やインプラントデバイスへの応用が期待されている。研究代表者らはこれまでにダイヤモンドpn接合ダイオードを用いて、高い電子線のエネルギー変換効率が得られることを示してきた。本研究は大面積ダイヤモンドpn接合ベータボルタ電池作製を妨げるダイオード特性劣化要因の同定やダイオードの大型化に取り組むものである。本年度は (i)大型(111)基板の作製、(ii)大型pn接合素子の試作, (iii)ダイヤモンドpn接合ベータボルタ電池の温度依存性評価の３つに取り組んだ。(i)ではpn接合形成に好ましい(111)を主面とした大型基板作製に取り組んだ。(100)成長により作製したバルク単結晶からレーザーカット、研磨により7~8mm角相当の(111)大型単結晶ダイヤモンド基板を作製した。典型的な(111)基板のサイズは2-3mmであり、それらの数倍の面積を持つ基板作製に成功した。(ii)では高圧合成Ib型ダイヤモンド基板上にφ1mmの素子を試作し、整流比10桁のpn接合ダイオードが作製できた。本基板の転位密度は10^4-10^5cm-2であり、このオーダー以下の転位であれば、ベータボルタ電池の整流比には大きな影響を及ぼさないことが確認できた。エピやデバイスプロセス起因の欠陥が整流特性に影響を及ぼしているものと示唆された。(iii)では系外惑星探査など極限環境を想定して、室温から数Kまでのエネルギー変換効率の温度依存性を調査した。100K以下では直列抵抗の増加に起因してエネルギー変換効率が低下すること、100K以上ではSiと比較し、2倍以上のエネルギー変換効率が維持できることを明らかにした。

β伏打电池是一种结合了β射线源和二极管的发电装置。由于电池寿命长达数十年，预计可用于为太空和深海等极端环境中的远程传感器和植入设备供电。研究人员此前已经证明，使用金刚石p-n结二极管可以获得高电子束能量转换效率。本研究旨在确定降低二极管特性的因素，从而阻碍大面积金刚石 p-n 结贝塔伏特电池的制造，并增加二极管的尺寸。今年，我们做了三件事：(i) 大型 (111) 基板的制造，(ii) 大型 pn 结元件的原型生产，以及 (iii) 评估金刚石 pn 结贝塔伏特电池的温度依赖性。在(i)中，我们致力于制造以(111)为主表面的大型基板，这对于形成pn结是优选的。采用激光切割和抛光的（100）生长块状单晶制备了方形尺寸为 7 至 8 mm 的大型（111）单晶金刚石基板。典型的（111）基板的尺寸为2-3毫米，我们成功地制造了面积是该尺寸数倍的基板。在(ii)中，我们在高压合成Ib型金刚石基板上制作了一个φ1mm器件原型，并能够制造出整流比为10位数的pn结二极管。该基板的位错密度为10^4-10^5 cm-2，并且证实低于该数量级的位错对β伏打电池的整流比没有太大影响。有人认为，外延或器件工艺引起的缺陷正在影响整流特性。在(iii)中，我们假设在系外行星探索等极端环境下，研究了从室温到几K的能量转换效率的温度依赖性。据透露，低于100K时，能量转换效率由于串联电阻的增加而降低，而高于100K时，可以维持比Si高2倍的能量转换效率。