Это история про инновационный автономный источник питания — компактную атомную батарейку, которая может работать до 20 лет. За счет оригинальной 3D-структуры бетавольтаического элемента ее размеры уменьшились втрое, удельная мощность повысилась на порядок, а себестоимость — снизилась на 50%. Да, вот такое чудо техники. Российское – суровое и оригинальное.

Ученые НИТУ «МИСиС» под руководством профессора кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Виктора Мурашова представили инновационный автономный источник питания — компактную атомную батарейку, которая может работать десятилетиями. За счет оригинальной 3D-структуры бетавольтаического элемента ее размеры уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость — снизилась на 50%.

Результаты опубликованы в международном научном журнале Applied Radiation and Isotopes.

Соавторы – доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС», к.т.н. Сергей Леготин, аспирант Андрей Краснов

В конструкции устройства используется оригинальная, запатентованная микроканальная 3D-структура никелевого бетавольтаического элемента. Ее особенность в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см² (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31нВт/см², (в планарной — 3нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — рассказывает один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».

Определены оптимальные параметры конструкции преобразователя и рассчитаны его основные характеристики. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что 3D-структура позволит увеличить площадь активной поверхности в 14 раз (при глубине микроканалов 80 мкм), а также вероятность проникновения бета-частиц в p-n переход по сравнению с планарной структурой преобразователя. И, как следствие, растет плотность неравновесных носителей заряда и выходная мощность устройства. Выходные электрические параметры предложенной конструкции при удельной активности Ni-63 2,7 мКи составили:

• ток короткого замыкания IКЗ = 276 мкА/см² (в планарной – 24 нА);
• напряжение холостого хода UХХ = 149 мВ (125 мВ на планарный);
• мощность P = 23,7 мкВт/см²;
• КПД: η = 1,4 %. 3D бетавольтаического элемента с двусторонним преобразованием., – поясняет Сергей Леготин.

При этом разработка позволит на порядок увеличить удельную мощность, за счет чего в три раза снизятся массогабаритные показатели элементов питания батарей на их основе с сохранением требуемого уровня выходной мощности.

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

Уникальные свойства источника питания – в рекордно высокой удельной энергоемкости, надежности, способности работать без обслуживания и беспрецедентно большом сроке службы. Бетавольтаические преобразователи станут незаменимы в ситуациях, где химические элементы питания не могут обеспечить длительной и стабильной работы, например, в задачах, связанных с освоением космоса или с электропитанием приборов в условиях критически низких температур — в Арктике и Заполярье.

В настоящий момент разработчики завершают процедуру международного патентования изобретения, а само устройство уже признано зарубежными экспертами. В частности, в обзоре международного агентства маркетинговых исследований Research and Markets НИТУ «МИСиС» назван одним из ключевых участников мирового рынка бетавольтаических батарей. Университет вошел в один ряд с такими компаниями, как City Labs, BetaBatt, Qynergy Corp и Widetronix.

В обзоре указано, что разработка ученых НИТУ «МИСиС» — батарейка на основе бетавольтаических элементов (БВЭ) — имеет большой потенциал, так как потребности в надежных элементах питания с длительным сроком службы растут во всех отраслях промышленности. С учетом уникальных характеристик — небольшого размера и безопасности — разработка НИТУ «МИСиС», сможет занять существенную долю рынка источников питания.