2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of design method of nuclear battery applying CIS solar cell with high radiation tolerant
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20K20105
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
奥野 泰希 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00805400)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 原子力電池 / CIGS太陽電池 / 電子線加速器 / 放射線挙動解析 / 放射線誘起電流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子力電池は、半導体素子上の放射性物質から放出される放射線により発電するため、電力供給が困難な宇宙環境や、ペースメーカなど人体中のデバイス駆動用に長時間安定的に電力を供給するために開発が進められている。先行研究において、半導体素子として、耐放射線性や高効率な変換効率が求められる。太陽電池素子として開発されてきた銅インジウムセレン(CIGS)素子は、耐放射線性が高く、また変換効率もシリコン太陽電池に迫る高効率であることから、原子力電池の放射線のエネルギーを電力へ直接変換する素子として期待できる。しかし、これまでCIGS太陽電池を利用した原子力電池への応用研究例は殆どない。本研究では、加速器で発生させた放射線により取得した放射線発電挙動を実験的に取得した結果をシミュレーション解析と組み合わせることで原子力電池の燃料に用いる放射性物質から放出される放射線に対するCIGS太陽電池の発電特性を見積もる方法を構築する。令和３年度では、令和２年度に大阪府立大学コッククロフトウォルトン型電子線加速器にて整備した電子線照射中の発生電流をその場測定できるシステムを用いて、電子線照射誘起電流挙動を取得した。電子線の加速電圧を変更することで、誘起電流の電子線エネルギー依存性を取得した。その結果、エネルギーの増加に伴い、単位フラックスあたりの電子線誘起電流の発生率が低下することが明らかになった。また、原子力電池では、燃料の放射性物質の選択にも依存するが、素子に発生する微少な電子正孔対生成条件により高効率に電力を発生させる必要がある。そのため、微少電子正孔対生成条件を実験的に構築するため、新たに微弱光源を用いることで微少誘起電流発生時における発電特性を取得できるシステムを開発した。本年度は、数nA/cm2から数μA/cm2の電流密度をCIGS太陽電池に発生させ、その際の発電効率について取得した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナウイルス蔓延防止のための出張制限により、実験の回数は制限されており、照射試験の実施は当初の計画より遅れている。しかし、照射試験の結果とシミュレーション解析を組み合わせる解析手法を新たな手法として考案することにより、CIGS太陽電池の放射線変換効率を解析する手法を考案することで、少ない照射試験でも、原子力電池の設計に必要な電子正孔対生成エネルギーなどのパラメータを見積もることが可能であることが明らかになってきた。そのため、実験の回数には制限があったものの、概ね、順調な成果を得たと考えている。また、放射線だけでなく、微弱光源を利用した素子の原子力電池としての発電特性を実験的に得ることに成功したため、この点においても、研究効率を大幅に改善できたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
さらなる実験的な放射線誘起電流の解明に向けて、電子線誘起電流特性を幅広いダイナミックレンジで取得する必要がある。そのため、電子線照射試験においては、JAXAが保有するダイナミトロン型電子線加速器を利用したビーム電流がフェムトアンペアからマイクロアンペアの範囲におけるCIGS太陽電池の放射線誘起電流特性の電子線フラックス依存性を取得する。この結果を元に、令和３年度に構築した微弱光による発電効率の測定やシミュレーション解析による放射線誘起電流予測モデルについての検証を実施し、本研究における目標であった実際の原子力電池における電力量を見積もることが可能なモデルへとブラッシュアップを行う。また、最終的な目標として、CIGS太陽電池を用いた原子力電池のデバイス構造をシミュレーション体型に構築し、その発電特性に関する知見を得ることで実用化の目処を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスによる蔓延防止のため実験が制限されたことにより、旅費や消耗品の購入費用の執行に遅れが生じた。
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