БЕТАВОЛЬТАИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА Российский патент 2024 года по МПК G21H1/02 

Описание патента на изобретение RU2820110C2

ПРИТЯЗАНИЯ НА ПРИОРИТЕТ

[001] По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент Австралии 2019901722, поданной 21 мая 2019 г., и предварительной заявки на патент Австралии 201990172322, поданной 21 мая 2019 г., содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[001] Настоящее изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии, способам выработки электроэнергии, продуктам для применения в устройствах для выработки электроэнергии и способам получения устройств для выработки электроэнергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Применение электрохимических устройств для выработки электроэнергии является широко распространенным. Эти устройства основаны на обычных химических реакциях для выработки электроэнергии, однако они имеют ограниченный срок службы в отсутствие подзарядки или дозаправки. Перезаряжаемые электрохимические устройства могут продлить срок службы электрохимических энергетических устройств, но также имеют ряд собственных ограничений, не в последнюю очередь из-за того, что со временем эти устройства теряют способность к перезарядке.

[003] Также были разработаны устройства, преобразующие ионизирующее излучение в электроэнергию. Например, были разработаны устройства, использующие бета-излучение для выработки электричества, которые обычно называют «бетавольтаическими» устройствами. Такие устройства вызывают значительный интерес в областях, где требуется длительная выработка электроэнергии или где нецелесообразно менять или обслуживать источник питания.

[004] Учитывая большое количество радионуклидов в отходах, которые образовались в ходе различных процессов в прошлом и будут образовываться в будущем, возможность приведения в действие таких устройств, используя излучение уникальных энергетических частиц радионуклидов из таких отходов была бы полезной. Это позволило бы обеспечить экономические и/или экологические преимущества, связанные с утилизацией радионуклидов из отходов.

[005] Однако несмотря на наличие разработанных бетавольтаических устройств, как правило, они имеют ряд ограничений, таких как одно или более из следующего: низкая эффективность преобразования, низкая выходная мощность и/или уменьшенный срок службы из-за радиационного повреждения.

[006] Настоящее изобретение относится к бетавольтаическим устройствам, в которых можно использовать множество разных излучающих бета-частицы радионуклидов, для выработки электричества и которые позволяют устранить один или более недостатков предшествующего уровня техники и/или обеспечивают одно или более преимуществ, как обсуждается в настоящем описании.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[007] Настоящее изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии, способам выработки электроэнергии, продуктам для применения в устройствах для выработки электроэнергии и способам получения устройств для выработки электроэнергии.

[008] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для выработки электроэнергии, которое содержит по меньшей мере одну ячейку, содержащую:

первый и второй разнесенные в пространстве электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода; и

расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, способный вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[009] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ выработки электричества, включающий применение раскрытого в настоящем описании устройства для выработки электричества.

[0010] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ выработки электроэнергии, включающий:

создание разности электрических потенциалов между первым и вторым близко расположенными электродами, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода;

выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости от полупроводникового материала, расположенного между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары являются перемещаемыми/способны перемещаться под действием электрического поля; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

выработку таким образом электроэнергии.

[0011] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ выработки электроэнергии, включающий:

создание электрического поля между первым и вторым разнесенными электродами, причем первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и электрическое поле создается вследствие наличия разных барьеров Шоттки на двух разных электродах;

выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости от полупроводникового материала, расположенного между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары являются перемещаемыми/способны перемещаться под действием электрического поля; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

выработки таким образом электроэнергии.

[0012] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для выработки электроэнергии посредством способа, раскрытого в настоящем описании.

[0013] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен продукт, содержащий первый материал с низкой работой выхода, второй материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым материалом и вторым материалом радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, способный вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[0014] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для выработки электроэнергии, содержащее раскрытый в настоящем описании продукт.

[0015] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ выработки электроэнергии, включающий применение продукта, раскрытого в настоящем описании.

[0016] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ получения устройства для выработки электроэнергии, включающий включение одной или более электрических ячеек в устройство для выработки электроэнергии, причем одна или более электрических ячеек содержат первый и второй разнесенные в пространстве электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, где полупроводниковый материал способен вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[0017] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для выработки электроэнергии, полученное способом, раскрытым в настоящем описании.

[0018] В настоящем описании раскрыты другие варианты осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Для лучшего понимания настоящего изобретения и для более ясного представления того, как может быть реализовано настоящее изобретение в соответствии с одним или более вариантами его осуществления, сделана ссылка в качестве примера на сопроводительные чертежи.

[0020] На фиг.1 показано, что полупроводниковый материал для бетавольтаического устройства может находиться в любой позиции, ограниченной тремя концевыми элементами, а именно: (i) чистым полупроводниковым полимером с соответствующими электронными свойствами; (ii) полупроводниковым однофазным композитом, содержащим неорганическое соединение, химически комплексированное с полимером (обычно содержащим гетероатом азота и/или серы); (iii) кристаллическим полупроводником, имеющим определенный химический состав и стехиометрию. Полупроводниковый материал может содержать смесь или тонкую смесь (в нанометровом масштабе) любых двух или всех трех концевых элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] Настоящее изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии, способам выработки электроэнергии, продуктам для применения в устройствах для выработки электроэнергии и способам получения устройств для выработки электроэнергии.

[0022] Настоящее изобретение основано на том факте, что электроэнергия может генерироваться/вырабатываться посредством устройства, в котором применяется полупроводниковый материал, расположенный между электродами с различающимися работами выхода, где на полупроводниковый материал оказывают воздействие радионуклидами, излучающими бета-частицы. Образование электронно-дырочных пар в полупроводниковом материале в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов в комбинации с разностью потенциалов между электродами вырабатывает/генерирует электроэнергию.

[0023] Не ограничиваясь какой-либо теорией, настоящее изобретение основано на разности электрических потенциалов, создаваемой между первым и вторым разнесенными электродами, путем формирования различающихся барьеров Шоттки на двух разных электродах. Электронно-дырочные пары вырабатываются/генерируются в полупроводниковом материале при возбуждении энергетическими бета-частицами, излучаемыми радионуклидами, включенными в полупроводниковый материал. Электронно-дырочные пары, вырабатываемые/генерируемые в материале, способны перемещаться под действием электрического поля. Электронно-дырочные пары вводятся во внешнюю цепь за счет разности электрических потенциалов, существующей между двумя различающимися электродами, и таким образом вырабатывается электроэнергия.

[0024] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к продуктам и способам, которые имеют одну или более комбинаций преимуществ. Например, некоторые из преимуществ некоторых из раскрытых в настоящем описании вариантов осуществления включают одно или более из следующего: новые и/или улучшенные устройства для выработки электроэнергии; новые способы преобразования бета-излучения радионуклидов в электроэнергию; применение радиоактивных материалов, ранее считавшихся отходами, для производства электроэнергии; получение устройств, способных обеспечивать электроэнергией и отвечающих специализированным требованиям удаленной выработки; получение бетавольтаических устройств для выработки электроэнергии с повышенной устойчивостью к радиационным повреждениям; бетавольтаических устройства, которые позволяют выбирать радиоактивные изотопы с разным периодом полураспада для питания устройств и, таким образом, обеспечивать разные сроки службы, необходимые для конкретных приложений; доступность материалов, используемых для получения электрических ячеек, для обеспечения масштабируемых автоматизированных методов производства; для решения одной или более проблем и/или предоставления одного или более преимуществ или предоставления коммерческой альтернативы. В настоящем описании также раскрыты другие преимущества некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0025] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для генерации/выработки электроэнергии.

[0026] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для генерации/выработки электроэнергии, содержащее по меньшей мере одну ячейку, содержащую:

первый и второй разнесенные в пространстве электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода; и

расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, способный генерировать/вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[0027] Термин «ячейка», используемый в настоящем описании, относится к функциональному блоку для выработки электроэнергии.

[0028] В некоторых вариантах осуществления устройство содержит более одной ячейки. В некоторых вариантах осуществления устройство содержит множество ячеек. Подходящее количество ячеек может быть выбрано на основе желаемых характеристик требуемого устройства. Способы электрического соединения отдельных ячеек для обеспечения протекания тока известны в данной области техники.

[0029] Размеры первого и второго электродов могут быть выбраны на основе свойств материалов, используемых в электродах, и желаемых характеристик устройства для выработки электроэнергии.

[0030] В некоторых вариантах осуществления первый и второй электроды разнесены на расстояние от 0,3 до 100 микрометров. В некоторых вариантах осуществления первый и второй электроды разнесены на расстояние от 0,5 до 30 микрометров. Возможны другие расстояния.

[0031] В этом варианте осуществления межэлектродное электрическое поле создается между первым и вторым близко расположенными электродами за счет различающихся барьеров/сопряжений/соединений Шоттки на каждом электроде. Барьер Шоттки, формируемый между полупроводником и первым электродом, содержащим материал с низкой работой выхода, будет иметь высоту барьера, ширину обедненной зоны и энергетический профиль, отличающиеся от таковых у второго электрода, содержащего материал с высокой работой выхода. Вместе, электрические поля, связанные с двумя различающимися барьерами Шоттки, могут усиливать друг друга, обеспечивая значительное макроскопическое поле для сбора носителей заряда во внешнюю цепь.

[0032] Способы определения работы выхода материала известны в данной области и включают способы, в которых используется эмиссия электронов из образца, индуцированная поглощением фотонов (фотоэмиссия), высокой температурой (термоэлектронная эмиссия), электрическим полем (автоэлектронная эмиссия), или посредством измерения зондом Кельвина. В относительных способах используется разница работ выхода между образцом и эталонным металлом.

[0033] В некоторых вариантах осуществления первый и/или второй электроды содержат металл. В некоторых вариантах осуществления первый и/или второй электроды содержат неметалл. В некоторых вариантах осуществления первый и/или второй электроды содержат композитный материал (например, металлокерамику). В некоторых вариантах осуществления первый и/или второй электроды содержат материал, обработанный (например, с покрытием) для изменения работы выхода электрода.

[0034] Материалы с низкой работой выхода и материалы с высокой работой выхода являются коммерчески доступными и/или могут быть получены посредством способа, известного в данной области техники.

[0035] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает материал с работой выхода менее 3,0 эВ.

[0036] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает материал с работой выхода 2,5 эВ или менее. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает материал с работой выхода в диапазоне от 2,7 до 3,5 эВ.

[0037] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает металл и/или интерметаллическое соединение.

[0038] В контексте настоящего описания термин «металл» относится к одному или более металлам или материалу, содержащему значительную долю металла.

[0039] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода представляет собой по существу чистый элементарный металл. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит два или более металлов. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит один или более металлов и других материалов. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода представляет собой сплав.

[0040] В контексте настоящего описания термин «интерметаллическое соединение» относится к материалу, который состоит из двух или более элементарных металлов определенной стехиометрии и который также может содержать другие неметаллические элементы, например такой материал, как Mg2Ca, Al2Ca, Mg17Al12.

[0041] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит металл и/или металлосодержащее соединение, содержащее одно или более из следующего: европия, стронция, бария, самария, кальция, магния, церия, натрия, лития, калия, рубидия, цезия, диспрозия, неодима, гадолиния, тербия, гольмия, эрбия, тулия, лантана, скандия, тория, иттрия и иттербия. Эти материалы с низкой работой выхода являются коммерчески доступными и/или могут быть получены способами, известными в данной области техники.

[0042] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит металлический самарий. Металлический самарий является коммерчески доступным.

[0043] Примеры других материалов с низкой работой выхода включают Ag-O-Cs, W-O-Ba, Sc2O3 и LaB6, которые являются коммерчески доступными или могут быть получены способами, известными в данной области.

[0044] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит металл. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит смесь металлов. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода содержит металл, обработанный (например, покрытый) другим материалом для изменения работы выхода электрода.

[0045] В некоторых вариантах осуществления низкая работа выхода включает неметалл.

[0046] В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает композитный материал. В некоторых вариантах осуществления материал с низкой работой выхода включает материал, обработанный для изменения работы выхода материала.

[0047] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода включает материал с работой выхода более 4,0 эВ. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит химический элемент с работой выхода более 4,0 эВ.

[0048] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит металл и/или интерметаллическое соединение.

[0049] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода представляет собой по существу чистый элементарный металл. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит два или более металлов. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит один или более металлов и других материалов. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода представляет собой сплав.

[0050] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит металл, выбранный из одного или более из следующего: никеля, платины, серебра, золота, алюминия, кадмия, кобальта, хрома, меди, бериллия, висмута, кадмия, железа, галлия, ртути, индия, иридия, марганца, молибдена, ниобия, осмия, свинца, палладия, рения, родия, рутения, сурьмы, кремния, олова, тантала, технеция, титана, ванадия, вольфрама, цинка и циркония. Эти материалы с высокой работой выхода являются коммерчески доступными и/или могут быть получены способами, известными в данной области техники.

[0051] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит металлический никель.

[0052] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит металл. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит смесь металлов. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит металл, обработанный другим материалом для изменения работы выхода электрода.

[0053] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит неметалл.

[0054] В некоторых вариантах осуществления второй электрод содержит металлокерамический композит (т.е. металлокерамический материал).

[0055] В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит композитный материал. В некоторых вариантах осуществления материал с высокой работой выхода содержит материал, обработанный (например, с покрытием) для изменения работы выхода материала.

[0056] Излучающие бета-частицы радионуклиды известны в данной области техники, являются коммерчески доступными и дополнительно могут быть получены из источников, получаемых из отработанных радиоактивных продуктов, побочных продуктов ядерных реакторов деления и отработанных радионуклидов, специально производимых для промышленных, медицинских или исследовательских целей.

[0057] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды, излучающие бета-частицы, получают из отработанного радиоактивного материала.

[0058] Примеры радионуклидов, излучающих бета-частицы, включают один или более из одного или более из следующего: 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co, 210Pb, 90Y, 129I, 188W, 35S, 121mSn, 123Sn, 45Ca, 106Ru, 170Tm, 171Tm, 134Cs, 32Si, 113Cd и 79Se. Радионуклиды могут быть представлены в подходящей химической форме для применения в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.

[0059] В некоторых вариантах осуществления радионуклид содержит одно или более из следующего: 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co и 210Pb.

[0060] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды содержат радионуклиды одного типа. В некоторых вариантах осуществления радионуклиды содержат радионуклиды двух или более отдельных типов.

[0061] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды содержат изотоп, который излучает множество типов β-частиц благодаря цепочке распада дочерних радионуклидов, поскольку в конечном итоге он распадается до стабильного изотопа ядра, такого как 90Sr и 126Sn.

[0062] Также очевидно, что единичное событие радиоактивного бета-распада вызывает каскад вторичных электронов, распространяющихся на десятки микрометров (мкм) от исходного распадающегося атома, и каждый из вторичных электронов сам потенциально способен вызывать множество возбужденных электронных состояний в полупроводнике. Кроме того, также очевидно, что эмиссия в радионуклиде может быть многомодовой.

[0063] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды обладают одним или более из следующих предпочтительных свойств: (i) радионуклиды излучают β-частицы с энергией в диапазоне 1-100 килоэлектронвольт (кэВ); (ii) радионуклиды излучают β-частицы со скоростью, определяемой периодом полураспада в диапазоне 1-40 лет, например ~5 лет (для минимизации периодов замены); (iii) радионуклиды представляют собой изотоп элемента с приемлемыми химическими характеристиками; (iv) радионуклиды излучают β-частицы с незначительным гамма (γ) излучения или без него.

[0064] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды диспергированы в полупроводниковом материале.

[0065] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химическую структуру и/или структурный каркас полупроводникового материала.

[0066] В некоторых вариантах осуществления радионуклид включен в полупроводниковый материал с удельной активностью в диапазоне от 10-1 ГБк/мм3 до 104 ГБк/мм3. Подходящую удельную активность можно выбрать на основе желаемых характеристик устройства для выработки электроэнергии.

[0067] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит композитный полупроводниковый материал.

[0068] В некоторых вариантах осуществления для осаждения, нанесения в виде покрытия или наплавления полупроводникового материала по меньшей мере на один из электродов используется связующий материал. Способы осаждения, нанесения в виде покрытия или наплавления материалов известны в данной области.

[0069] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит однофазный композитный полупроводниковый материал.

[0070] В некоторых вариантах осуществления однофазный композитный полупроводниковый материал содержит неорганический полупроводник, химически комплексированный с полимером.

[0071] В некоторых вариантах осуществления неорганический полупроводник имеет запрещенную зону по меньшей мере 1,1 эВ.

[0072] Примеры неорганических полупроводников включают один или более из галогенидов и халькогенидов, которые являются коммерчески доступными или могут быть получены способом, известным в данной области.

[0073] В некоторых вариантах осуществления неорганический полупроводник содержит одно или более из следующего: галогенида цезия, галогенида рубидия, галогенида калия, галогенида свинца, галогенида висмута, галогенида сурьмы, галогенида мышьяка, галогенида телурия, галогенида олова; теллурида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se; селенида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Te; и сульфида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se.

[0074] В некоторых вариантах осуществления однофазный композитный полупроводниковый материал содержит галогенид, химически комплексированный с полимером. Например, галогениды могут образовывать супрамолекулярный комплекс с атомами азота или серы в полимере.

[0075] В некоторых вариантах осуществления неорганический полупроводник содержит один или более из следующего: BiI3, PbI2, CsPbBr3, CsPbI3, CsPbCl3, CsSnI3, CsSnBr3 и CsSnCl3.

[0076] Другие неорганические полупроводники включают, например, ZnS и/или CdSe, оба из которых являются коммерчески доступными и/или могут быть получены способом, известным в данной области.

[0077] В некоторых вариантах осуществления полимер включает нейлон, полиимид, политиофен, полипиррол, полиакрилонитрил, полиуретан, поликарбазол, полианилин, полисульфид, полисульфоксид, политиоэфир, политиокарбонат, полисульфат, политиоуретан, полисульфоксимин и соль полисульфония или смесь одного или более из указанных выше полимеров.

[0078] В некоторых вариантах осуществления однофазный композитный полупроводниковый материал содержит полимер и неорганический полупроводник с высокой концентрацией. Например, однофазный композитный полупроводниковый материал может иметь концентрацию неорганического полупроводника, составляющую по меньшей мере 50% (мас./мас.) или в диапазоне от 50% до 95% (мас./мас.).

[0079] В некоторых вариантах осуществления неорганический полупроводник и радионуклиды представляют собой разные виды.

[0080] В некоторых вариантах осуществления неорганический полупроводник содержит радионуклид. Например, неорганический полупроводник может быть 210PbI2 и/или Bi129I3. Такие соединения могут быть коммерчески доступными или получены способами, известными в данной области.

[0081] В некоторых вариантах осуществления радионуклид смешивают с полимером. В некоторых вариантах осуществления радионуклид диспергирован с полимером. В некоторых вариантах осуществления радионуклид расположен рядом с полимером. В некоторых вариантах осуществления и полимер, и полупроводник присутствуют в виде частиц, и частицы присутствуют в смеси с полупроводником.

[0082] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химическую структуру полимера. Способы включения радионуклидов в полимеры известны в данной области и включают, например, применение мономеров, меченных соответствующим радионуклидом (например, 3H или 14C), или применение газообразных форм радионуклида (например, газообразного трития), где радионуклиды встраивают в полимер путем обмена.

[0083] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды смешаны с полимером. В некоторых вариантах осуществления радионуклиды диспергированы в полимере. В некоторых вариантах осуществления радионуклиды расположены рядом с полимером. В некоторых вариантах осуществления и полимер, и радионуклиды присутствуют в виде частиц, и частицы присутствуют в смеси с полупроводником.

[0084] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химическую структуру полимера, и неорганический полупроводник смешан с полимером.

[0085] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды образуют часть неорганического полупроводника, и неорганический полупроводник смешан с полимером.

[0086] В некоторых вариантах осуществления, каждый из радионуклида, неорганического полупроводника и полимера находятся в виде частиц, и частицы присутствуют в смеси.

[0087] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в структуры более высокого порядка, присутствующие в материале, содержащем неорганический полупроводник, например, в пустоты в нерегулярных структурах, присутствующих в неорганическом полупроводнике.

[0088] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер. Полупроводниковые полимеры (и/или их мономерные составляющие) являются коммерчески доступными или могут быть получены способом, известным в данной области техники.

[0089] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый полимер содержит одно или более из следующего: политиофена, полиацетилена, полифенилен-винилена, полипиррол-полифениленсульфида, полианилина, поливинилацетилена, полипиррола, полииндола, поливинилена, полиазулена и борорганического полимера. Примеры включают полимеры P3HT и PEDOT. Возможны другие типы полимеров.

[0090] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды смешаны с полупроводниковым полимером. В некоторых вариантах осуществления радионуклиды диспергированы с полупроводниковым полимером. В некоторых вариантах осуществления радионуклиды расположены рядом с полупроводниковым полимером. В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый полимер и радионуклиды присутствуют в виде частиц, и частицы присутствуют в смеси с полупроводником.

[0091] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химическую структуру полупроводникового полимера. Способы включения радионуклидов в полимеры известны в данной области техники и включают, например, применение мономеров, меченных соответствующим радионуклидом (например, 3H или 14C), или применение газообразных форм радионуклида (например, газообразного трития), где радионуклиды встраивают в полупроводниковый полимер путем обмена.

[0092] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер и дополнительный полупроводник.

[0093] Примеры дополнительных полупроводников включают одно или более из следующего: галогенида, халькогенида, оксида, нитрида, карбида, перовскита, борида, теллурида, селенида, антимонида, германида, арсенида, сульфида, силицида, фосфида, алюминида, аллотропа углерода и интерметаллического соединения, которые являются коммерчески доступными или могут быть получены способами, известными в данной области.

[0094] В некоторых вариантах осуществления дополнительный полупроводник содержит одно или более из следующего: BiI3, PbI2, CsPbBr3, CsPbI3, CsPbCl3, CsSnI3, CsSnBr3 и CsSnCl3. Другие неорганические полупроводники содержат, например, одно или более из следующего: PbZrO3, PbTiO3, SrTiO3, SrZnO3 и (K, Cs)TaO3, которые являются коммерчески доступными.

[0095] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер и дополнительный полупроводник с низкой концентрацией. Например, полупроводниковый материал может иметь концентрацию дополнительного полупроводника по меньшей мере 5% (мас./мас.) или в диапазоне от 5% до 50% (мас./мас.) в полупроводниковом полимере.

[0096] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер и дополнительный полупроводник, и радионуклид образует часть дополнительного полупроводника.

[0097] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер и дополнительный полупроводник, причем каждый из радионуклида, дополнительного полупроводника и полупроводникового полимера находится в виде частиц, и частицы присутствуют в смеси.

[0098] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит полупроводниковый полимер и дополнительный полупроводник, где радионуклид и/или дополнительный полупроводник диспергированы в матрице полупроводникового полимера.

[0099] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит кристаллический полупроводник.

[00100] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник содержит одно или более из следующего: нитрида, карбида, галогенида, смешанного халькогенида, теллурида, селенида, антимонида, германида, арсенида, силицида, фосфида, алюминида, аллотропа углерода, перовскита или другого оксоанионного материала сложной структуры в кристаллической фазе, простого оксида, легированного оксида, сульфида, борида и интерметаллического соединения, которые являются коммерчески доступными или могут быть получены способом, известным в данной области техники. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник содержит одно или более из следующего: титаната, цирконата, молибдата, ванадата, технетата, пертехнетата, вольфрамата, ниобата, танталата, легированного оксида олова, легированного оксида цинка, гафната, оксида германия, кобальтата, феррата и манганата, которые являются коммерчески доступными или могут быть получены способом, известным в данной области техники. Возможны другие кристаллические полупроводники.

[00101] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник содержит титанат и/или цирконат.

[00102] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник содержит одно или более из следующего: цирконата стронция (SrZrO3), титаната стронция (SrTiO3) и оксида титана.

[00103] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет одну или более из следующих предпочтительных характеристик: низкая скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; высокая подвижность электронов и дырок под действием электрических полей; температура плавления не менее 250°C; стойкость к окислению; твердость; прочность, устойчивость к ударному разрушению, эрозии и/или истиранию. Способы оценки вышеупомянутых характеристик известны в данной области.

[00104] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет запрещенную зону по меньшей мере 2,0 эВ. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет ширину запрещенной зоны не менее 2,6 эВ. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет запрещенную зону по меньшей мере 3,1 эВ. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет ширину запрещенной зоны не менее 3,2 эВ. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет запрещенную зону по меньшей мере 3,4 эВ. В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник имеет запрещенную зону в диапазоне от 2,6 до 5,4 эВ, от 3,1 до 5,4 эВ, от 3,2 до 5,4 эВ или от 3,4 до 5,4 эВ. Способы определения ширины запрещенной зоны полупроводника известны в данной области техники и обычно выражаются относительно стандартного водородного электрода.

[00105] В некоторых вариантах осуществления кристаллический полупроводник обладает свойством высокой подвижности носителей заряда.

[00106] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит кристаллический полупроводник, и радионуклид содержит одно или более из следующего: 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 121mSn, 155Eu, 93Zr, 210Pb, 60Co и 126Sn. Возможны другие радионуклиды, излучающие бета-частицы.

[00107] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химический или структурный каркас кристаллического полупроводника.

[00108] В этом контексте радионуклидом может быть, например, атомом, который может быть встроен в решетку кристаллического полупроводника путем замещения, например замещения части атомов Sr в решетке титаната стронция (SrTiO3) на 90Sr. В другом варианте осуществления радионуклид может представлять собой атом или ионное соединение, которое может занимать пустоты или другие структурные дефекты в решетке.

[00109] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в кристаллический полупроводник с удельной активностью в диапазоне от 10-1 ГБк/мм3 до 104 ГБк/мм3. Подходящую удельную активность можно выбрать на основе желаемых характеристик устройства для выработки электроэнергии.

[00110] Способы включения радионуклидов в кристаллический полупроводник известны в данной области.

[00111] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включены в химический или структурный каркас кристаллического полупроводника. Способы включения излучающих бета-частицы радионуклидов в химический или структурный каркас кристалла известны в данной области и включают, например, изотопный обмен с применением градиентов концентрации изотопов.

[00112] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включают в химический или структурный каркас кристаллического полупроводника путем одной или более замен подходящих атомов на радионуклиды в решетке кристаллического полупроводника (включение путем замещения) путем включения радионуклидов в междоузлие в каркасе кристаллического полупроводника или путем включения радионуклидов в вакансию или пустоту в структурном каркасе.

[00113] В некоторых вариантах осуществления радионуклиды включают в менее упорядоченные структуры, присутствующие в кристаллическом полупроводнике, такие как включение в пустоты в нерегулярных структурах, присутствующих в полупроводнике.

[00114] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит кристаллический полупроводник и связующее. В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал содержит кристаллический полупроводник и полимерное связующее.

[00115] В некоторых вариантах осуществления связующий материал используется для осаждения, нанесения в виде покрытия или наплавления полупроводникового материала на по меньшей мере один из электродов. Способы осаждения, нанесения в виде покрытия или наплавления материалов известны в данной области.

[00116] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал осаждают, наносят в виде покрытия или наплавляют на первый и/или второй электрод. В некоторых вариантах осуществления материал осаждают, наносят в виде покрытия или наплавляют на первый электрод. В некоторых вариантах осуществления материал осаждают на второй электрод. В некоторых вариантах осуществления материал осаждают на оба электрода.

[00117] В некоторых вариантах осуществления материал осаждают, наносят в виде покрытия и/или наплавляют на один из электродов. Способы осаждения, нанесения в виде покрытия или наплавления материала известны в данной области техники.

[00118] В некоторых вариантах осуществления полупроводниковый материал находится в форме, подходящей для нанесения на электрод посредством процесса влажного нанесения.

[00119] В некоторых вариантах осуществления устройство содержит множество ячеек, содержащих изолирующий слой между ячейками. Изоляционные материалы известны в данной области техники. В некоторых вариантах осуществления изолирующий слой представляет собой тонкую пленку.

[00120] В некоторых вариантах осуществления ячейки электрически соединены последовательно. В некоторых вариантах осуществления ячейки электрически соединены параллельно. Способы соединения ячеек известны в данной области.

[00121] Способы получения устройства для генерации/выработки электроэнергии, представленного в настоящем описании, известны в данной области техники.

[00122] В некоторых вариантах осуществления представленные в настоящем описании устройства для выработки электроэнергии могут использоваться в приложениях, где источник электроэнергии требуется на длительные периоды времени, например, в военных приложениях, телекоммуникационных приложениях, приложениях для добычи полезных ископаемых, космических приложениях и в медицинских приложениях. Возможны другие приложения.

[00123] Устройства для выработки электроэнергии, раскрытые в настоящем описании, также могут упоминаться в настоящем описании как «бетавольтаические устройства», которые являются генераторами электрического тока, использующими энергию от радиоактивного источника, излучающего бета-частицы (электроны).

[00124] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено бетавольтаическое устройство.

[00125] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено бетавольтаическое устройство, содержащее по меньшей мере одну ячейку, содержащую:

первый и второй разнесенные в пространстве электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода; и

расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, где полупроводниковый материал способен вырабатывать электронно-дырочных пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[00126] В настоящем описании представлены бетавольтаические устройства и способы их получения.

[00127] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ генерации/выработки электроэнергии.

[00128] В настоящем описании представлены способы генерации/выработки электроэнергии.

[00129] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предоставлен способ генерации/выработки электроэнергии, включающий:

создание разности электрических потенциалов между первым и вторым близко расположенными электродами, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода;

генерацию/выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости от полупроводникового материала, расположенного между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары способны перемещаться под действием электрического поля; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

генерацию/выработку таким образом электроэнергии.

[00130] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предоставлен способ генерации/выработки электроэнергии, включающий:

создание электрического поля между первым и вторым разнесенными электродами, причем первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и электрическое поле создается вследствие наличия разных барьеров Шоттки на двух разных электродах;

генерацию/выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости от полупроводникового материала, расположенного между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары способны перемещаться под действием электрического поля; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

генерацию/выработку таким образом электроэнергии.

[00131] В некоторых вариантах осуществления создание разности электрических потенциалов включает применение материалов, имеющих разные работы выхода. В некоторых вариантах осуществления первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода.

[00132] В настоящем описании представлены подходящие первый и второй электроды и материалы с низкой и высокой работами выхода.

[00133] В настоящем описании представлены радионуклиды и полупроводниковые материалы. В настоящем описании приведены примеры полупроводниковых материалов.

[00134] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для генерации/выработки электроэнергии способом, раскрытым в настоящем описании. Способы получения устройства, использующего указанный способ, раскрыты в настоящем описании.

[00135] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предоставлен продукт.

[00136] В некоторых вариантах осуществления продукт подходит для применения в бетавольтаическом устройстве.

[00137] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен продукт, содержащий первый материал с низкой работой выхода, второй материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым материалом и вторым материалом радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, способный генерировать/вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[00138] В настоящем описании раскрыты способы производства продукта. В настоящем описании раскрыты материалы с низкой и высокой работами выхода. В настоящем описании раскрыты радионуклиды и полупроводниковые материалы.

[00139] В некоторых вариантах осуществления продукт используется для получения электрической ячейки. В некоторых вариантах осуществления продукт используется в электрогенерирующем устройстве. Возможны другие варианты применения.

[00140] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для генерации/выработки электроэнергии, содержащее продукт, раскрытый в настоящем описании.

[00141] В настоящем описании раскрыты способы применения продукта в электрогенерирующем устройстве.

[00142] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ генерации/выработки электроэнергии, при этом способ включает применение продукта, раскрытого в настоящем описании, в устройстве для генерации/выработки электроэнергии.

[00143] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ получения устройства для генерации/выработки электроэнергии.

[00144] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ получения устройства для генерации/выработки электроэнергии, причем способ включает включение одной или более электрических ячеек в устройство для генерации/выработки электроэнергии, причем одна или более электрических ячеек содержат первый и второй разнесенные электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, где полупроводниковый материал способен генерировать/вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

[00145] В настоящем описании раскрыты подходящие первый и второй электроды и материалы с низкой и высокой работами выхода.

[00146] В настоящем описании раскрыты радионуклиды и полупроводниковые материалы. В настоящем описании раскрыты примеры полупроводниковых материалов.

[00147] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлено устройство для генерации/выработки электроэнергии, полученное раскрытым в настоящем описании способом.

[00148] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения представлен способ получения электрической ячейки для применения в устройстве для генерации/выработки электроэнергии, раскрытом в настоящем описании.

[00149] В настоящем описании дополнительно представлены приведенные ниже примеры. Следует иметь в виду, что представленное ниже описание предназначено только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначено для ограничения представленного выше описания.

ПРИМЕР 1. Получение бетавольтаических устройств с применением однофазных композитных полупроводниковых материалов

[00150] Создавали нерадиоактивные, слоистые, асимметричные структуры металл-полупроводник-металл, которые использовали в качестве прототипа бетавольтаических устройств для испытаний в потоке фотонов ультрафиолетового (УФ) спектра. УФ фотоны использовали для имитации эффекта электронного возбуждения, создаваемого бета-излучением, чтобы избежать применения радиоактивного материала. УФ источник вырабатывает фотоны с энергией 4-5 эВ.

[00151] Первый использованный металлический слой представлял собой тонкую полоску слегка отполированного чистого металлического никеля толщиной ~150 мкм, при этом этот слой служил как в качестве электрода, так и в качестве подложки для полупроводникового композитного слоя. Чистый никель получали от компании Mid-North Coast Components, Порт-Маккуори, Новый Южный Уэльс, Австралия.

[00152] Два разных полупроводниковых композитных материала готовили в виде отдельных образцов полупроводникового компонента новых бетавольтаических структур AMSM. Полупроводниковый слой является местом, где генерируются носители заряда в ответ на радиационное возбуждение, и толщина слоя составляла 2-5 мкм.

[00153] Первый полупроводниковый композитный материал представлял собой цезированный полианилин-нейлоновый композит, полученный путем: (а) растворения в стеклянном флаконе нейлона-6 (0,24 грамма; Duromer Products, Австралия) вместе с 0,009 г бромида цезия (Sigma Aldrich, 99,999%; продукт #203017) в 95% муравьиной кислоте (2 мл) и перемешивания смеси при 50°C до полной прозрачности (~30 минут); (b) получения дисперсии тонкоизмельченного полианилина (0,053 г эмеральдина от Aldrich; продукт № 428329) в муравьиной кислоте (1,5 мл) путем совместного перемешивания компонентов при 50°C в течение ~20 минут; (c) смешивания раствора цезированного нейлона и дисперсии полианилина и перемешивания полученной смеси в течение по меньшей мере 20 минут при слабом подогреве для удаления некоторого количества муравьиной кислоты и, таким образом, увеличения вязкости; (d) переноса смешанной дисперсии муравьиной кислоты/раствора цезированного полианилин-нейлона в небольшой шприц, снабженный шприцевым фильтром 0,45 мкм; (e) капельного нанесения нескольких капель цезированного полианилин-нейлона на металлическую никелевую подложку путем проталкивания дисперсии/раствора через шприцевой фильтр; (f) предоставления возможности нанесенной жидкости медленно распределиться на поверхности субстрата, осторожно вращая предметное стекло до тех пор, пока не испарится практически вся муравьиная кислота; (g) сушки пленки, после ее затвердевания, на плитке при ~110°C. Концентрация CsBr в пленке составляла примерно 3 мас.%.

[00154] Второй приготовленный полупроводниковый материал представлял собой однофазный полностью комплексный композит трийодид висмута (BiI3)-нейлон, содержащий высокую массовую нагрузку BiI3, полученный путем: (а) тщательного смешивания тонкодисперсного порошка нейлона-12 (0,5 грамма; Duromer Products, Австралия) с тонкодисперсным порошком BiI3 (0,5 грамма; >98%, Tokyo Chemical Industry (TCI), продукт № B5787)); (b) помещения порошковой смеси во флакон и нагревания смеси до ~150°C, чтобы BiI3 абсорбировался в нейлон; (c) помещения порошка Nylon-BiI3 на металлическую никелевую подложку и нагревания никеля снизу до ~250°C до полного отверждения материалов, определяемого по прозрачному темно-оранжевому цвету полученного расплава смешанного полимера (~5 мин), дополнительно демонстрирующему комплексообразование иодида с амидными группами нейлона; (d) предоставления возможности расплаву распределиться по поверхности субстрата за счет поддержания тепла, и придания ему желаемой толщины.

[00155] Третий приготовленный полупроводниковый композитный материал представлял собой композит однофазной смеси трийодид висмута (BiI3)-нейлон, содержащей высокую массовую нагрузку BiI3, полностью комплексированной с полианилином. Его получали путем: (а) тщательного смешивания тонкодисперсного порошка нейлона-12 (0,5 г) с тонкодисперсным порошком BiI3 (0,5 г); (b) помещения порошковой смеси во флакон и нагревания смеси до ~150°C, чтобы BiI3 абсорбировался в нейлон; (c) смешивания порошка нейлон-BiI3 с тонкоизмельченным полианилином (0,053 г эмеральдина в виде соли); (d) помещения порошка нейлон-BiI3-полианилина на металлическую никелевую подложку и нагревания никеля снизу до ~250°C до полного отверждения материалов, определяемого по прозрачному темно-оранжево-зеленому цвету полученного смешанного расплава полимер-полианилин (~5 мин); (e) предоставления возможности расплаву распределиться по поверхности субстрата и вдавливания отполированного электрода из металлического самария в расплав во время плавления.

[00156] Каждый из образцов полупроводникового композита занимает отличное от других положение на трехосной композиционной диаграмме, иллюстрирующей различные типы полупроводникового материала, раскрытые в настоящем описании (см. фиг.1). На фигуре показано пространство, ограниченное тремя концевыми элементами, а именно: (i) чистым полупроводниковым полимером с соответствующими электронными свойствами; (ii) полупроводниковым однофазным композитом, содержащим неорганическое соединение, химически комплексированное с полимером (обычно содержащим гетератом азота и/или серы); (iii) кристаллическим полупроводником, имеющим определенный химический состав и стехиометрию. Полупроводниковый материал может содержать смесь или тонкую смесь (например, в нанометровом масштабе) любых двух или всех трех концевых элементов.

[00157] Для первого и второго из описанных выше полупроводниковых композитных материалов второй металлический слой (с низкой работой выхода) состоял из тонкого слоя осажденного в вакууме металлического самария толщиной ~150 нм, который наносили в стандартной камере вакуумного осаждения, работающей при 10-6 мбар, в которой тигель, заполненный металлическим самарием (Treibacher Industrie AG; Австрия), подвергали бомбардировке электронным лучом, сфокусированным в центр тигля. После этого стабильный поток атомов металлического самария наносили на подложки, расположенные непосредственно над тиглем на высоте примерно 20 см. В конце осаждения металлического самария в качестве защитного покрытия поверх самария наносили слой металлической меди (~150 нм). Условия для периодического электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы в вакуумной камере, оснащенной ионной пушкой, были следующими:

Обычные условия Ni Sm Cu Исходное давление <2e-5 мбар Рабочее давление ~1e-4 мбар Ионная пушка да Нагреватель подложки да @ 100°C Толщина 100 нм Скорость 2 Å/с 10 Å/с 1,5 Å/с

[00158] Перед оценкой образцов небольшую область на самариевом электроде со стороны медной поверхности слегка истирали наждачной бумагой с зернистостью 3000 до появления темного цвета центрального полупроводника, чтобы обеспечить проникновение в полупроводниковый слой требуемого потока УФ-фотонов.

[00159] Измерения смоделированного бетавольтаического тока выполняли путем последовательного подключения готовых устройств к 6½-разрядному мультиметру Keysight (модель 34465A), работающему в режиме амперметра постоянного тока в диапазоне 1 μA с разрешением 500 пикоампер. Плоские соединительные зажимы обеспечивали хороший электрический контакт с электродами как с высокой работой выхода, так и с низкой работой выхода. Базовый тепловой ток обнаруживали в большинстве образцов, что указывало на отсутствие короткого замыкания в образцах и, следовательно, на то, что эти образцы являются подходящими для дальнейшего исследования. Луч УФ-фотонов (мощность 500 мВт) направляли на истертую часть поверхности электрода. Измеренная амперметром величина тока сразу скачкообразно возрастала и продолжила расти. Величины тока регистрировали сразу (~1 секунда) после того, как УФ луч попадал на образец. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 Исходный ток (μΑ) мгновенный ток возбуждения (μΑ) Полианилин-Ny6 (15%) композит: тонкий, отполированный нецезирированный, на Cu 0,0040 0,00600 BiI3-нейлон12 композит (~50 мас.% Bi) зафиксированный между небольшими таблицами металличесвого Sm и Ni 0,2300 0,37000 Тонкая пленка из композита PANI PPS-нейлон680 1 0,0050 0,02100 Тонкая пленка из композита PANI PPS-нейлон680 2 0,0180 0,134000 Тонкая пленка из композита PANI PPS-Nylon680 3 0,0040 0,22000 Тонкая пленка из композита PANI-тозилат-нейлон680 1 0,0060 0,23000 Тонкая пленка из композита PANI-тозилат-нейлон680 2 - без CsBr 0,0085 0,1800 Тонкая пленка из композита PANI-тозилат-нейлон680 2 - ~2,5% CsBr 0,00400 0,0200

[00160] Как видно из таблицы 1, заметные мгновенные токи, стимулированные УФ-излучением, измеряли для каждой из прототипных бетавольтаических структур, протестированных в эксперименте. Индуцированные токи сразу после начала УФ-облучения важны в контексте бетавольтаического отклика, потому что они полностью связаны с носителями заряда, создаваемыми электронным возбуждением, тогда как в более поздние моменты времени уровни тока могут содержать термически индуцированную составляющую тока, поскольку тепло постепенно накапливается в образце. Хотя в этом эксперименте невозможно было измерить образование теплового тока, вполне вероятно, что токи, указанные во втором столбце таблицы 1, не вполне отражают величину выработки и сбора носителей заряда, возникающих из-за типа электронного возбуждения, аналогичного создаваемому бета-излучением, поскольку, вероятно, электронная составляющая тока в общем токе будет более высокой даже позже, чем через 1 секунду после начала УФ-излучения.

[00161] Ключевой вывод, который можно сделать из этих экспериментов, заключается в том, что электрическое поле, собирающее носители заряда, должно быть значительным, чтобы они вводились во внешнюю цепь до их рекомбинации. Это, в свою очередь, означает, что различающиеся металл-полупроводниковые переходы на самариевом (низкая работа выхода) и никель/медном (высокая работа выхода) электродах достаточны по силе, полярности и пространственной протяженности для того, чтобы это произошло.

ПРИМЕР 2. Получение бетавольтаического устройства путем включения радионуклида в полимер путем обмена

[00162] Первый электрод, изготовленный из металлического самария (например, 99,9%), может быть изготовлен с применением самариевой фольги/пластины соответствующей толщины, например, в диапазоне от 0,01 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Sigma-Aldrich. (кат. № 693731). Можно использовать металлическую фольгу/пластину подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту. Пример изготовленного электрода из металлического самария описан в примере 1.

[00163] Второй электрод, изготовленный из металлического никеля (например, 99,6%), может быть изготовлен с применением фольги/пластины соответствующей толщины, например в диапазоне от 0,01 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd. Можно использовать металлическую фольгу/пластину подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту. Пример изготовленного металлического никелевого электрода описан в примере 1.

[00164] Тритий (3H) представляет собой бета-излучающий радиоизотоп, получаемый в больших количествах в виде побочного продукта в некоторых ядерных энергетических реакторах и в виде отходов от других операций переработки ядерных материалов. Сотни гигабеккерелей трития могут быть предоставлены в газообразной форме (T2) при высоком давлении рядом предприятий по насыщению тритием (например, Canadian Nuclear Laboratories, Chalk River, Онтарио) или могут быть предоставлены в других химических формах (например, T2O).

[00165] Неорганический полупроводник, например BiI3, является коммерчески доступным, например, от Alfa, Ward Hill, Массачусетс (чистота 99,999%, перекристаллизован из тетрагидрофурана в атмосфере азота).

[00166] Матричный полимер, такой как нейлон-11 [NH-CO-(CH2)10-]n, является коммерчески доступным. Присутствие полиамидного фрагмента в полимере в некоторых случаях приводит к сильным взаимодействиям с атомами йода, которые могут быть частью неорганических полупроводников, таких как BiI3, и эти взаимодействия помогают солюбилизировать неорганический компонент в полимере, как показано в примере 1.

[00167] Композит BiI3-нейлон-11 может быть получен, как описано в примере 1, или с применением расплава нейлона-11 (предварительно высушенного в вакууме при 150°C для удаления влаги) при 200-240°C в атмосфере N2 в течение 5-15 мин с получением темно-оранжевого раствора, содержащего, например, приблизительно 65-75% по массе BiI3.

[00168] Радионуклид 3H может быть включен в полимер посредством специальной камеры для тритирования, работающей при повышенных температуре и давлении для облегчения водородно-тритиевого обмена в полимерной матрице. Затем композит может быть нанесен на нагретые первый и/или второй электроды с применением такого процесса, как капельное нанесение, для получения покрытия после охлаждения толщиной приблизительно от 1 до 30 микрометров.

[00169] Затем первый и второй электроды располагают в непосредственной близости друг от друга (например, от 1 до 30 микрометров) таким образом, чтобы электроды были практически параллельны друг другу.

[00170] Затем изготавливают бетавольтаическое устройство для выработки электроэнергии, использующее одну ячейку, путем замыкания цепи (с небольшой резистивной нагрузкой) между первым и вторым электродами. Для создания устройства для выработки электроэнергии с множеством ячеек затем может быть изготовлено множество ячеек с применением первого электрода, второго электрода и покрытия, нанесенного на любой из электродов. В этом случае тонкий изолирующий слой расположен между отдельными ячейками и первым и вторым электродами каждой ячейки, подключенными последовательно или параллельно.

[00171] Предполагается, что описанное выше устройство для выработки электроэнергии имеет ряд преимуществ. Например, устройство будет вырабатывать электроэнергию в течение длительного периода времени, отражающего полезный срок службы радионуклида, используемого для питания устройства. Устройство будет устойчивым к радиационным повреждениям, а также к теплу, выделяемому при распаде радионуклида.

ПРИМЕР 3. Получение бетавольтаического устройства путем включения радионуклида в полимер с применением меченых мономеров

[00172] Первый электрод, изготовленный из металлического самария (например, 99,9%), может быть изготовлен с применением самариевой фольги/пластины соответствующей толщины, например, в диапазоне от 0,01 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Sigma-Aldrich. (кат. № 693731). Металлическую фольгу/пластину можно использовать подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту. Пример изготовленного электрода из металлического самария описан в примере 1.

[00173] Второй электрод, изготовленный из металлического никеля (например, 99,6%), может быть изготовлен с применением фольги/пластины соответствующей толщины, например, в диапазоне от 0,02 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd. Металлическую фольгу/пластину можно использовать подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту. Пример электрода, изготовленного из металлического никеля, описан в примере 1.

[00174] Неорганический полупроводник, например PbI2, может быть получен коммерчески, например, от Sigma-Aldrich (чистота 99,999%).

[00175] Может быть получен изолирующий полимер, такой как нейлон-11 [NH-CO-(CH2)10-]n, меченный радионуклидом 3H или 14C. Например, для нейлона-11 полимер может быть меченным 3H и 14C, которые включены в мономер 11-аминоундекановой кислоты, и полимер получают полимеризацией меченого мономера с применением стандартных условий синтеза.

[00176] Композит PbI2-нейлон-11 может быть получен в расплаве меченого нейлона-11 (предварительно высушенного в вакууме при 150°C для удаления влаги) при 220-290°C в атмосфере N2 с получением густого прозрачного оранжевого раствора, содержащего, например, приблизительно 65% по массе PbI2. В результате получают композит PbI2-3H или 14C нейлон-11. Затем раствор может быть нанесен на нагретые первый и/или второй электроды посредством процесса нанесения полимерной пленки, такого как экструзия листа, для получения после охлаждения покрытия размером приблизительно от 1 до 30 микрометров.

[00177] Затем первый и второй электроды располагают в непосредственной близости друг от друга (например, от 1 до 50 микрометров) таким образом, чтобы электроды были практически параллельны друг другу.

[00178] Затем создают бетавольтаическое устройство для выработки электроэнергии, использующее одну ячейку, путем замыкания цепи (с небольшой резистивной нагрузкой) между первым и вторым электродами. Для создания устройства для выработки электроэнергии с множеством ячеек затем может быть изготовлено множество ячеек с применением первого электрода, второго электрода и покрытия, нанесенного на любой из электродов. В этом случае тонкий изолирующий слой расположен между отдельными ячейками и первым и вторым электродами каждой ячейки, подключенными последовательно или параллельно.

[00179] Предполагается, что описанное выше устройство для выработки электроэнергии имеет ряд преимуществ. Например, устройство будет вырабатывать электроэнергию в течение периода времени, отражающего полезный срок службы радионуклида, используемого для питания устройства. Материалы будут устойчивы к радиационным повреждениям, а также будут обеспечивать устойчивость к теплу, выделяемому при распаде радионуклидов.

ПРИМЕР 4. Получение бетавольтаического устройства с применением кристаллического полупроводника

[00180] Первый электрод, изготовленный из металлического самария (99,9%), может быть изготовлен с применением самариевой фольги/пластины соответствующей толщины, например в диапазоне от 0,02 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Sigma-Aldrich (кат. № 693731). Металлическую фольгу/пластину можно использовать подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту.

[00181] Второй электрод, изготовленный из металлического никеля (99,6%), может быть изготовлен с применением никелевой фольги/пластины соответствующей толщины, например в диапазоне от 0,02 до 0,4 мм, коммерчески доступной, например, от Baoji TST Nonferrous Metal Co., Ltd. Металлическую фольгу/пластину можно использовать подходящего размера, например от 20 до 40 мм в длину и от 20 до 40 мм в высоту.

[00182] Можно использовать полупроводниковый материал-коллектор носителей заряда в форме тонкой пластины. Например, титанат стронция (SrTiO3) может быть легирован подходящим источником 90Sr (например, (90Sr, natSr)CO3, с удельной активностью 500 ГБк/г) с порошкообразным, неактивным SrCO3 и порошкообразным TiO2. Смеси могут быть измельчены в шаровой мельнице в среде этанола с применением шаров из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, в пластиковом контейнере в течение 24 часов. Затем суспензия может быть высушена, измельчена, просеяна (100 меш) и подвергнута обжигу в течение подходящего времени при подходящей температуре, например в диапазоне от 1000 до 1200°C в течение 2 часов. Затем полученные обжигом порошки могут быть снова измельчены в шаровой мельнице, высушены и измельчена до мелкодисперсного порошка, и затем к высушенным порошкам может быть по каплям добавлен раствор 3 мас.% поли(винилового спирта) 1799 (ПВС) (алкоголиз 99,8-100% (моль/моль), Aladdin Industrial Co.) в качестве связующего вещества. После этого смесь можно нанести на первый или второй электрод посредством процесса влажного нанесения, такого как центрифугирование, и высушить для получения покрытия размером приблизительно от 1 до 50 микрометров.

[00183] Стронций 90 (90Sr), излучающий бета-частицы радионуклид, может быть получен в виде радиоактивных отходов в виде 90SrCO3.

[00184] SrCO3 является коммерчески доступным, например, от Sinopharm Chemical Reagent Co.Ltd в порошкообразной форме.

[00185] TiO2 является коммерчески доступным, например, от Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. в порошкообразной форме.

[00186] Затем первый и второй электроды (один из которых имеет покрытие) располагают в непосредственной близости друг от друга (например, от 1 до 50 микрометров) таким образом, чтобы электроды были практически параллельны друг другу.

[00187] Затем создают бетавольтаическую ячейку, генерирующую электроэнергию, путем замыкания цепи (с небольшой резистивной нагрузкой) между первым и вторым электродами. После этого для создания устройства для выработки электроэнергии с множеством ячеек может быть изготовлено множество ячеек с применением первого электрода, второго электрода и покрытия, нанесенного на любой из электродов. В этом случае между отдельными ячейками и первым и вторым электродами каждой ячейки, подключенными последовательно или параллельно, размещают тонкий изолирующий слой.

[00188] Предполагается, что описанное выше устройство для выработки электроэнергии имеет ряд преимуществ. Например, устройство будет вырабатывать электроэнергию в течение длительного периода, отражающего полезный срок службы радионуклида, используемого для питания устройства. Материалы, используемые в устройстве, будут устойчивы к радиационным повреждениям, а также будут обеспечивать устойчивость к теплу, выделяемому при распаде радионуклидов

ПРИМЕР 5. Получение меченного тритием полупроводникового полимера

[00189] Меченный тритием полианилиновый полимер с желаемыми полупроводниковыми свойствами может быть получен двумя способами. Способы получения полианилина известны в данной области, например, как описано в Boeva and Sergeyev (2014) «Polyaniline: Synthesis, Properties and Application» Polymer Science, Ser. С 56:144-153.

[00190] В одном из примеров полианилин может быть получен химической полимеризацией анилина с применением персульфата аммония, например, как описано в J. Stejskal и R.G. Gilbert, Pure Appl. Chem. 74, 857 (2002). Радионуклид 3H может быть включен в полимер посредством специальной камеры для обогащения тритием, работающей при повышенной температуре для облегчения водородно-тритиевого обмена в полимерной матрице.

[00191] В другом примере полианилин с желаемыми проводящими свойствами может быть получен химической полимеризацией анилина, меченного 3H или 14C радионуклида, и персульфата аммония, например, как описано в J. Stejskal и R.G. Gilbert, Pure Appl. Chem.

[00192] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные примеры, специалистам в данной области техники понятно, что изобретение может быть воплощено во многих других формах.

[00193] Следует иметь в виду, что в ранее описанные части могут быть внесены различные изменения, дополнения и/или модификации, не выходящие за рамки объема настоящего раскрытия, и что в свете приведенных выше идей настоящее изобретение может быть реализовано в программном обеспечении, встроенном программном обеспечении и/или аппаратном обеспечении различными способами, как будет понятно специалисту в данной области.

[00194] Используемые в настоящем описании формы единственного числа могут относиться к формам множественного числа, если специально не указано иное.

[00195] В настоящем описании, если из контекста не следует иное, слово «содержать» или варианты, такие как «содержит» или «содержащий», следует понимать как подразумевающие включение указанного элемента или целого числа или группы элементов или целых чисел, но не исключение любого другого элемента, целого числа или группы элементов или целых чисел.

[00196] Все способы, раскрытые в настоящем описании, можно выполнять в любом подходящем порядке, если не указано иное или иное в явном виде не противоречит контексту. Применение любых и всех примеров или иллюстративного языка (например, «такой как»), представленных в настоящем описании, предназначено просто для лучшего освещения иллюстративных вариантов осуществления и не налагает ограничения на объем заявленного изобретения, если не заявлено иное. Никакие формулировки в описании не следует толковать как указывающие на какие-либо не заявленные элементы как существенные.

[00197] Представленное описание относится к нескольким вариантам осуществления, которые могут иметь общие характеристики и признаки. Следует иметь в виду, что один или более признаков одного варианта осуществления могут быть объединены с одним или более признаками других вариантов осуществления. Кроме того, один признак или комбинация признаков вариантов осуществления могут составлять дополнительные варианты осуществления.

[00198] Используемые в настоящем описании предметные заголовки включены исключительно для удобства читателя и не должны использоваться для ограничения объекта изобретения, упоминаемого в тексте описания или формуле изобретения. Предметные заголовки не следует использовать при толковании объема формулы изобретения или ее ограничений.

[00199] На основе настоящей заявки могут быть поданы будущие патентные заявки, например, путем испрашивания приоритета настоящей заявки, путем требования выделенного статуса и/или требования статуса продолжения. Следует понимать, что приведенная ниже формула изобретения представлена только в качестве примера и не предназначена для ограничения объема того, что может быть заявлено в любой такой будущей заявке. Формулу изобретения также не следует рассматривать как ограничение понимания (или исключение других интерпретаций) настоящего изобретения. Позже признаки могут быть добавлены или исключены из иллюстративных пунктов формулы изобретения.

Похожие патенты RU2820110C2

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПОСРЕДСТВОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАДИОХИМИЧЕСКОГО БЕТА-РАСПАДА С-14 2019
  • Долгополов Михаил Вячеславович
  • Сурнин Олег Леонидович
  • Чепурнов Виктор Иванович
RU2714690C2
Бета-вольтаический генератор электроэнергии и способ повышения его эффективности 2015
  • Мандругин Андрей Александрович
  • Баранов Николай Николаевич
RU2610037C2
СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА 2015
  • Уайтхед Стивен
RU2704321C2
Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии и способ его изготовления 2015
  • Мандругин Андрей Александрович
  • Баранов Николай Николаевич
RU2607835C1
Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии 2015
  • Мандругин Андрей Александрович
  • Баранов Николай Николаевич
RU2608058C1
Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером на базе радиоизотопа Ni и способ его получения 2016
  • Магомедбеков Эльдар Парпачевич
  • Меркушкин Алексей Олегович
  • Веретенникова Галина Владимировна
  • Кузнецов Александр Альбертович
  • Молин Александр Александрович
RU2641100C1
СПОСОБЫ И ПРОДУКТЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ОДНО ИЛИ БОЛЕЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 2019
  • Джонс, Брин
  • Келли, Джулиан, Ф.
RU2806034C2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ 2010
  • Заддэ Виталий Викторович
  • Пустовалов Алексей Антонович
  • Пустовалов Сергей Алексеевич
  • Цветков Лев Алексеевич
  • Цветков Сергей Львович
RU2452060C2
Преобразователь ионизирующих излучений с сетчатой объемной структурой и способ его изготовления 2017
  • Мурашев Виктор Николаевич
  • Леготин Сергей Александрович
  • Краснов Андрей Андреевич
  • Диденко Сергей Иванович
  • Кузьмина Ксения Андреевна
  • Синева Мария Владимировна
RU2659618C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК НА ОСНОВЕ РАДИОНУКЛИДА НИКЕЛЬ-63 2019
  • Горкунов Алексей Анатольевич
  • Дьячков Алексей Борисович
  • Лабозин Антон Валерьевич
  • Миронов Сергей Михайлович
  • Панченко Владислав Яковлевич
  • Поликарпов Михаил Алексеевич
  • Фирсов Валерий Александрович
  • Цветков Глеб Олегович
RU2715735C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 820 110 C2

Реферат патента 2024 года БЕТАВОЛЬТАИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии, способам выработки электроэнергии, продуктам для применения в устройствах для выработки электроэнергии и способам получения устройств для выработки электроэнергии. Устройство для выработки электроэнергии содержит по меньшей мере одну ячейку, содержащую: первый и второй пространственно разнесенные электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, содержащий полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, способный вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов. Техническим результатом является возможность использования радиоактивных материалов, ранее считавшихся отходами, для производства электроэнергии с возможностью более точно обеспечивать требуемые сроков службы бетавольтаические устройства при повышении устойчивости устройств к радиационным повреждениям и теплу, выделяемому при распаде радионуклида. 10 н. и 23 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 820 110 C2

1. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее по меньшей мере одну ячейку, содержащую:

первый и второй разнесенные в пространстве электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода; и

расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, содержащий полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, где полупроводниковый материал выполнен с возможностью выработки электронно-дырочных пар в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

2. Устройство по п.1, где радионуклиды содержат одно или более из следующего: 90Sr, 99Tc, 3H, 14C, 63Ni, 137Cs, 147Pm, 151Sm, 155Eu, 93Zr, 126Sn, 60Co, 210Pb, 90Y, 129I, 188W, 35S, 123Sn, 45Ca, 106Ru, 170Tm, 171Tm, 134Cs, 32Si, 113Cd и 79Se.

3. Устройство по п.1 или 2, где материал с низкой работой выхода содержит металл и/или интерметаллическое соединение.

4. Устройство по любому из пп.1-3, где материал с низкой работой выхода содержит металл и/или металлосодержащее соединение.

5. Устройство по п.4, где металл и/или металлсодержащее соединение содержит одно или более из следующего: европия, стронция, бария, самария, диспрозия, неодима, гадолиния, тербия, гольмия, эрбия, тулия, лантана, скандия, тория, кальция, магния, церия, иттрия, иттербия, натрия, лития, калия, рубидия и цезия.

6. Устройство по любому из пп.1-5, где материал с низкой работой выхода содержит металлический самарий.

7. Устройство по любому из пп.1-6, где материал с высокой работой выхода содержит металл и/или интерметаллическое соединение.

8. Устройство по любому из пп.1-7, где материал с высокой работой выхода содержит металл, выбранный из одного или более из следующего: никеля, платины, серебра, золота, алюминия, кобальта, хрома, меди, бериллия, висмута, кадмия, железа, галлия, германия, ртути, индия, иридия, марганца, молибдена, ниобия, осмия, свинца, палладия, рения, родия, рутения, сурьмы, кремния, олова, тантала, технеция, титана, ванадия, вольфрама, цинка и циркония.

9. Устройство по любому из пп.1-8, где материал с высокой работой выхода содержит металлический никель.

10. Устройство по любому из пп.1-9, где второй электрод содержит металлокерамический композит.

11. Устройство по любому из пп.1-10, где радионуклиды диспергированы в полупроводниковом материале.

12. Устройство по любому из пп.1-11, где радионуклиды включены в химическую структуру полупроводникового материала.

13. Устройство по любому из пп.1-12, где полупроводниковый материал представляет собой однофазный композитный полупроводниковый материал.

14. Устройство по п.13, где однофазный композитный полупроводниковый материал содержит неорганический полупроводник, химически комплексированный с полимером.

15. Устройство по п.14, где неорганический полупроводник содержит одно или более из следующего: галогенида цезия, галогенида рубидия, галогенида калия, галогенида свинца, галогенида висмута, галогенида сурьмы, галогенида мышьяка, галогенида теллурия, галогенида олова, теллурида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se; селенида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Te; и сульфида Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se.

16. Устройство по п.14 или 15, где полимер содержит одно или более из следующего: нейлона, полиимида, политиофена, полипиррола, полиакрилонитрила, полиуретана, поликарбазола, полианилина, полисульфида, полисульфоксида, политиоэфира, политиокарбоната, полисульфата, политиоуретана, полисульфоксимина и соли полисульфония.

17. Устройство по любому из пп.1-12, где полупроводниковый полимер содержит одно или более из следующего: политиофена, полиацетилена, полифенилен-винилена, полипиррол-полифениленсульфида, полианилина, поливинилацетилена, полипиррола, полииндола, поливинилена, полиазулена и борорганического полимера.

18. Устройство по любому из пп.1-17, где полупроводниковый материал содержит смесь любых двух или трех из числа следующих материалов: кристаллический полупроводник, полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит.

19. Устройство по п.18, где кристаллический полупроводник содержит одно или более из следующего: нитрида, карбида, смешанного халькогенида, теллурида, селенида, антимонида, германида, арсенида, силицида, фосфида, алюминида, аллотропа углерода, перовскита или другого оксоанионного материала сложной структуры в кристаллической фазе, простого оксида, легированного оксида, сульфида, борида и интерметаллического соединения.

20. Устройство по п.18 или 19, где кристаллический полупроводник содержит одно или более из следующего: титаната, цирконата, молибдата, ванадата, технетата, пертехнетата, вольфрамата, ниобата, танталата, легированного оксида олова, легированного оксида цинка, гафната, оксида германия, кобальтата, феррата и манганата.

21. Устройство по любому из пп.18-20, где полупроводниковый материал содержит кристаллический полупроводник и полимерное связующее.

22. Устройство по любому из пп.1-21, где первый и второй электроды разделены расстоянием в диапазоне от 0,3 до 100 микрометров.

23. Устройство по любому из пп.1-22, содержащее множество ячеек.

24. Устройство по п.23, где ячейки электрически соединены последовательно или параллельно.

25. Способ выработки электроэнергии, включающий применение электрогенерирующего устройства по любому из пп.1-24.

26. Способ выработки электроэнергии, включающий:

создание разности электрических потенциалов между первым и вторым близко расположенными электродами, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода;

выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости с полупроводниковым материалом, содержащим полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, причем данный полупроводниковый материал расположен между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары являются перемещаемыми под действием электрического поля между электродами; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

выработку таким образом электроэнергии.

27. Способ выработки электроэнергии, включающий:

создание электрического поля между первым и вторым разнесенными электродами, причем первый электрод содержит материал с низкой работой выхода, и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и электрическое поле создают вследствие наличия разных барьеров Шоттки на двух разных электродах;

выработку электронно-дырочных пар из энергетических бета-частиц, излучаемых радионуклидами, в непосредственной близости с полупроводниковым материалом, содержащим полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, причем данный полупроводниковый материал расположен между первым и вторым электродами, причем электронно-дырочные пары являются перемещаемыми под действием электрического поля; и

захват электронно-дырочных пар во внешнюю цепь посредством электрического поля, существующего между электродами;

выработку таким образом электроэнергии.

28. Устройство для выработки электроэнергии способом по п.26 или 27.

29. Продукт для применения в устройствах для выработки электроэнергии, содержащий первый материал с низкой работой выхода, второй материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым материалом и вторым материалом радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, содержащий полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, причем данный полупроводниковый материал способен вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

30. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее продукт по п.29.

31. Способ выработки электроэнергии, включающий применение продукта по п.29 в устройстве для выработки электроэнергии.

32. Способ получения устройства для выработки электроэнергии, включающий включение одной или более электрических ячеек в устройство для выработки электроэнергии, где одна или более электрических ячеек содержат первый и второй пространственно разнесенные электроды, где первый электрод содержит материал с низкой работой выхода и второй электрод содержит материал с высокой работой выхода, и расположенные между первым и вторым электродами радионуклиды, излучающие бета-частицы, и полупроводниковый материал, содержащий полупроводниковый полимер или полупроводниковый полимерный композит, где полупроводниковый материал способен вырабатывать электронно-дырочные пары в ответ на излучение бета-частиц из радионуклидов.

33. Устройство для выработки электроэнергии, полученное способом по п.32.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2024 года RU2820110C2

US 10083770 B2, 25.09.2018
US 20080001497 A1, 03.01.2008
US 5087533 А1, 11.02.1992
US 6118204 A1, 12.09.2000
Чжан, Цян, и др
"A betavoltaic microbattery using zinc oxide nanowires under build in potentialdifference"
Токарный резец 1924
  • Г. Клопшток
SU2016A1
WO 2015157764 A1,

RU 2 820 110 C2

Авторы

Джонс, Брин

Келли, Джулиан, Фредерик

Даты

2024-05-29Публикация

2020-05-21Подача