Krzemowe baterie

Krzemowe baterie

Wykorzystując niektóre techniki używane do produkcji mikroprocesorów, badacze opracowali porowatą, krzemowa diodę która może prowadzić do nowych rozwiązań w betawoltaice. Urządzenie to przetwarza promieniowanie o niskim natężeniu w elektryczność i może działać wiele dekad.

Mimo, że produkuje jedną tysięczną mocy konwencjonalnej baterii chemicznej, „betabateria” jest bardziej wydajna i potencjalnie tańsza od podobnych rozwiązań oraz powinna być łatwiejsza w produkcji. Jeżeli nowa dioda udowodni swoją przydatność w testach, zostanie zapewne zastosowana w urządzeniach o utrudnionym dostępie i wymaganym długim czasie działania, takich jak satelity, urządzenia monitorujące klimat czy mierzące naprężenia w mostach.

Źródłem energii w baterii jest tryt, izotop wodoru który uwalnia elektrony w procesie rozpadu beta. Półprzewodnik na bazie krzemu produkuje elektryczność przez wyłapanie tych elektronów na podobnej zasadzie jak baterie słoneczne wyłapują fotony pochodzące z światła słonecznego.

Program finansowany z grantów NSF Small Business Innovation Research (SBIR) jest prowadzony przez wielodyscyplinarny zespół badaczy z University of Rochester, University of Toronto, Rochester Institute of Technology oraz BetaBatt, Inc. of Houston z Teksasu. Ogłosili oni swoje wyniki w wydaniu ”Advanced Materials” z 13 maja.

Naukowcy próbowali przetwarzać różne rodzaje promieniowania w elektryczność od czasu wynalezienia tranzystora, ponad 50 lat temu. Badania złącz półprzewodnikowych dały początek całej nowoczesnej elektronice. Jak dotąd inżynierowie skutecznie przetwarzają promieniowanie elektromagnetyczne przy użyciu baterii słonecznych, ale nie byli wstanie przechwytywać skutecznie elektronów pochodzących z rozpadu beta.

BetaBatt nie jest pierwszą baterią która ujarzmiła radioaktywność, ani nawet pierwszą wykorzystującą tryt, jest natomiast pierwszą, która ma unikalną przewagę – jest zbudowana z półmilimetrowej warstwy krzemu, w której wytrawiono sieć głębokich porów. Struktura ta niebywale zwiększa powierzchnię, co czyni urządzenie 10 razy bardziej wydajnym, niż odpowiednik o gładkiej powierzchni.

„Trójwymiarowa struktura porowatego krzemu świetnie absorbuje całą energię kinetyczną elektronów”, powiedział współautor pracy, Nazir Kherani z University of Toronto. Zamiast generować prąd przez absorpcję w zewnętrznej powierzchni urządzenia, elektrony są pochłaniane wewnątrz, co pozwala wykorzystać pełniej nadchodzące promieniowanie. We wczesnych testach prawie wszystkie elektrony wyemitowane przez rozpad beta trytu zostały zaabsorbowane.

Było kilka praktycznych powodów dla których wybraliśmy akurat tryt jako źródło energii, stwierdza współtwórca BetaBatt Larry Gadeken – głównie bezpieczeństwo. „Tryt emituje wyłącznie cząstki (elektrony) o niskiej energii – dzięki czemu ekranowanie może być bardzo cienkie – nawet zrobione z kartki papieru”, stwierdził Gadeken. „Hermetyczna, metalowa obudowa BetaBaterii zamyka radioaktywne źródło energii tak samo, jak normalna obudowa baterii uniemożliwia wylanie się chemikaliów”. Na wypadek gdyby hermetyczna obudowa zostałaby uszkodzona, dodaje Gadeken, grupa inżynierów materiałowych opracowała specjalny twardy plastik który wchłania tryt i wiąże go chemicznie tak aby nie mógł przedostać się do otaczającego środowiska.

Naukowcy i producenci produkują porowaty krzem od dekad ale jego głównym zastosowaniem dotychczas były antyodblaskowe pokrycia, elementy świecące i filtry dla światłowodów. Teraz nacisk jest kładziony na stworzenie diod PN z porowatego krzemu metodami standardowo dostępnymi w przemyśle półprzewodników.

Betawoltaniczne i fotowoltaniczne zastosowania diody z porowatego krzemu 3D zapoczątkują inne zastosowania tego wszechstronnego materiału, stwierdził Philippe Fauchet z University of Rochester. „To niesamowity materiał z punktu widzenia inżynierii materiałowej”, powiedział Fauchet. „Na przykład każda dioda może tworzyć osobny detektor co potencjalnie może nam dać niesamowitą rozdzielczość”.

„Łatwość użycia standardowych technologii produkcji półprzewodników do produkcji złącz PN z porowatego krzemu jest zaskakująca”, dodał Karl Hirschman z Rochester Institute of Technology. Ta łatwość i znaczny przełom w zwiększaniu produkcji przy małych kosztach czyni urządzenia skalowalnymi i praktycznymi w wielu zastosowaniach.
„Początkowe aplikacje będą dotyczyły odległych lub niedostępnych czujników i urządzeń dla których długie życie baterii jest sprawą krytyczną” stwierdza Gadeken.

BetaBattery może lepiej udowodnić swoją przewagę nad bateriami chemicznymi, gdy zapotrzebowanie na energię jest niewielkie. Struktura baterii jest odporna na drgania i działa w temperaturach od –100’C do + 150’C i nie zmienia to czasu życia urządzenia.