Моделирование бетавольтаического элемента на наногетеропереходах GaN и GaP на подложках Si и 3С-SiC/Si

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

В данной статье моделируются электрофизические свойства и КПД преобразователей энергии – бетавольтаических элементов, которые содержат гетеропереход GaN и GaP на подложках Si и 3С-SiC/Si. Для преобразования в электрическую энергию исследуются в моделировании внешний 63Ni или внутренний 14C радиоактивные источники с тестовой плотностью активности 100 мКи・см-2. Оптимизируется система параметров и характеристик: диффузионные длины, ток короткого замыкания, напряжение открытой цепи, фактор заполнения, обратный ток насыщения и КПД. Результаты моделирования показали, что в структуре устройства с глубиной перехода 0.1 мкм определяется хорошая работа бетавольтаического элемента, плотность тока короткого замыкания – до 200 нАсм-2, напряжение открытой цепи — до 3.7 В, плотность мощности до 700 нВт・см-2, КПД до 25 %. Эффективность преобразования достигает максимального значения при использовании радиоизотопного источника с плотностью активности от 25 до 100 мКи・см-2. Эффективность преобразования при расположении источника-инжектора внутри оценивается примерно в 30 раз выше, чем при внешнем расположении.

Об авторах

М. В. Долгополов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mikhaildolgopolov68@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8725-7831

доцент, кандидат физико-математических наук, кафедра высшей математики

Россия, 443100, Российская Федерация, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

А. С. Чипура

Самарский государственный технический университет

Email: al_five@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-0425-0653

преподаватель кафедры высшей математики

Россия, 443100, Российская Федерация, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

  1. Moseley H.G.J. The Attainment of High Potentials by the Use of Radium // Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1913, vol. 88, pp. 471–476. DOI: https://doi.org/10.1098/rspa.1913.0045.
  2. Ehrenberg W., Lang C., West R. The Electron Voltaic Effect. // Proceedings of the Physical Society. Section A. 1951. Vol. 64, Number 4. Article number 424. DOI: https://doi.org/10.1088/0370-1298/64/4/109.
  3. Rappaport P. The Electron-Voltaic Effect in p-n Junctions Induced by Beta-Particle Bombardment // Phys. Rev. 1954. Vol. 93, Issue 1, Article number 246. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.246.2.
  4. Spencer M.G., Alam T. High power direct energy conversion by nuclear batteries // Applied Physics Reviews. 2019. Vol. 6, Article number 031305. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5123163.
  5. Zhou Chunlin, Zhang Jinsong, Wang Xu, Yang Yushu, Xu Pan, Li Peixian, Zhang Lu, Chen Zhiyuan, Feng Huanran, Wu Weiwei. Review—Betavoltaic Cell: The Past, Present, and Future // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2021. Vol. 10, Number 2. Article number 027005. DOI: https://doi.org/10.1149/2162-8777/abe423.
  6. Naseem M.B., Kim H.S., Lee J., Kim C.H., In S.-I. Betavoltaic Nuclear Battery: A Review of Recent Progress and Challenges as an Alternative Energy Source // The Journal of Physical Chemistry C. 2023. Vol. 127, Issue 16. Pp. 7565–7579. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c00684.
  7. Ho Wan, Chow Yi, Nakamura Shuji, Peretti Jacques, Weisbuch Claude, Speck James. Measurement of minority carrier diffusion length in p-GaN using electron emission spectroscopy (EES) // Applied Physics Letters. 2023. Vol. 122. Article number 212103. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0150029.
  8. Чепурнов В.И., Долгополов М.В., Гурская А.В., Латухина Н.В. Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния // Патент на изобретение RU 2 653 398 C2, 08.05.2018. Заявка № 2016129598 от 19.07.2016. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2653398C2_20180508.
  9. Kuznetsova A., Chepurnov V., Dolgopolov M., Gurskaya A., Kuznetsov O., Mashnin A., Radenko V., Radenko A., Surnin O., Zanin G. Betavoltaic device in por-SiC/Si C-Nuclear Energy Converter // EPJ Web of Conferences. 2017. Vol. 158, Article number 06004. DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201715806004.
  10. Чепурнов В., Пузырная Г., Гурская А., Долгополов М., Анисимов Н. Экспериментальное исследование полупроводниковых структур источника питания на углероде-14 // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22, № 3. С. 55–67. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2019.22.3.55-67. EDN: https://www.elibrary.ru/ousjkw.
  11. Roccaforte F., Giannazzo F., Raineri V. Nanoscale transport properties at silicon carbide interfaces // Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. Vol. 43, Number 22. Article number 223001. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/22/223001.
  12. Протасов Д.Ю., Малин Т.В., Тихонов А.В., Цацульников А.Ф., Журавлев К.С. Рассеяние электронов в гетероструктурах AlGaN/GaN с двумерным электронным газом // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47, Вып. 1. С. 36–47. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782613010181.
  13. Reyyan Kavak Yuruk, Hayriye Tutunculer. Theoretical Investigation of High-Efficiency GaN-Si Heterojunction Betavoltaic Battery // Canadian Journal of Physics. 2019. Vol. 97, Issue 9. Pp. 1031–1038. DOI: https://doi.org/10.1139/cjp-2018-0579.
  14. Demeter T., Athanassios A. Tsekouras. The electron affinity of gallium nitride (GaN) and digallium nitride (GaNGa): The importance of the basis set superposition error in strongly bound systems // The Journal of Chemical Physics. 2008. Vol. 128, Article number 144103. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2883997.
  15. Wang Y., Lu J., Zheng R., Li X., Liu Y., Zhang X., Zhang Y., Chen Z. Theoretical study of a high-efficiency GaP–Si heterojunction betavoltaic cell compared with metal–Si Schottky barrier betavoltaic cell // AIP Advances. 2021. Vol. 11, Article number 065110. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0053917.
  16. Willardson R.K., Weber E.R. SiC Materials and Devices. London, UK: Elsevier Science, 1998, 420 p. URL: https://books.google.ru/books?id=bYms_kigMX8C&hl=en&redir_esc=y.
  17. Lin Z. Simulation and optimization design of SiC-based pn betavoltaic microbattery using tritium source // Crystals. 2020. Vol. 10, Issue 2, Article number 105. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst10020105.
  18. Bouzid F., Pezzimenti F., Dehimi L. Modelling and performance analysis of a GaN-based n/p junction betavoltaic cell // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2020. Vol. 969, Article number 164103. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164103.
  19. Долгополов М.В., Елисов М.В., Раджапов С.А., Чипура А.С. Модели масштабирования электрических свойств фото- и бета-преобразователей с наногетеропереходами // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10, No 1. C. 138—146. DOI: https://doi.org/10.33693/2313-223X-2023-10-1-138-146. EDN: https://www.elibrary.ru/wkekac.
  20. Чепурнов В.И., Раджапов С.А., Долгополов М.В., Пузырная Г.В., Гурская А.В. Задачи определения эффективности для микроструктур SiC*/Si и контактообразования // Computational Nanotechnology. 2021. Т. 8, № 3. С. 59–68. DOI: https://doi.org/10.33693/2313-223X-2021-8-3-59-68. EDN: https://www.elibrary.ru/eybfqt.
  21. Гурская А.В., Долгополов М.В., Раджапов М.В., Чепурнов В.И. Контакты для SiC-преобразователей в диапазоне нано-микроватт // Вестник Московского университета. Сер.: 3. Физика. Астрономия. 2023. Т. 78, No 1. Номер статьи 2310103. DOI: https://doi.org/10.55959/MSU0579-9392.78.2310103.
  22. Rahmani F., Khosravinia H. Optimization of silicon parameters as a betavoltaic battery: Comparison of Si p-n and Ni/Si schottky barrier // Radiation Physics and Chemistry. 2016. № 125. Pp. 205–212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2016.04.012.
  23. Dolgopolov V.V., Chepurnov V.I., Chipura A.S. etc. Scaling and activation of nanoheterojunctions on silicon and silicon carbide substrates // In Proceedings of the International Conference “Fundamental and Applied Problems of Modern Physics”. 2023. Section II. P. 88–92. https://elibrary.ru/item.asp?id=54922680.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Долгополов М.В., Чипура А.С., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах