2021 Fiscal Year Research-status Report
Ultrahigh efficient betavoltaic cells using diamond pn junction
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21K18000
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
嶋岡 毅紘 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (80650241)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / 原子力電池 / ベータボルタ電池 / ダイオード / エネルギー変換効率 / 転位密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ベータボルタ電池はβ線源とダイオードを組み合わせた発電デバイスである。数十年以上の長い電池寿命のため極限環境でのリモートセンサへの給電へ応用が可能である。ダイヤモンドpn接合ダイオードは高いエネルギー変換効率が得られることが期待されているが、半導体基板やエピ膜中の欠陥が高出力化に必要なmmオーダーの大面積素子の実現を妨げている。本研究ではダイオード特性を劣化させる欠陥の同定・低減手法の開発に取り組み、その知見をもとに大面積ダイヤモンドpn接合ベータボルタ電池の試作・評価を行う。
R3年度は単結晶ダイヤモンド基板の欠陥密度低減、原子力電池の評価系の構築に取り組んだ。前者ではダイヤモンドのバルク成長を直交方向に繰り返す3次元成長法に取り組んだ。転位の伝搬方向に平行に基板を切り出すことで、基板全域で、転位密度が1桁以上低減した。試料には単結晶ダイヤモンド基板の中でも大面積基板が入手しやすい化学気相成長法で作製された基板を用いた。プロセス前の基板の転位密度は＞10^6cm-2と比較的高いため、今後、同プロセスの回数依存性や転位密度のより低い高圧合成ダイヤモンド基板(< 10^4cm-2)を用いた検証により、本手法で到達可能な転位密度を明らかにする。後者では、半導体マイクロプローブシステム、ソースメジャーユニット、放射性同位元素からなる評価系を立ち上げた。線源は当初、Ni-63 β線源を導入する予定であったが、費用と照射により得られる電流密度の兼ね合いからAm-241α線源に変更した。2mm角のダイヤモンドショットキーバリアダイオードを用いたテストではサブnAオーダーの短絡電流を観測した。次年度には、mm角のダイヤモンドpn接合ダイオードを用いた評価を実施予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染症拡大に伴う出勤制限等により、デバイス作製・評価スケジュールが大幅に遅れているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
R4年度は①CVD製基板の欠陥密度低減の継続、②mm角のpn接合ダイオードの試作・電池特性評価、③エピ膜および基板由来の欠陥が電気特性に及ぼす影響調査に取り組む。このうち③は電極直径の異なるpn接合ダイオードの電気特性評価を実施し、電気特性に影響を及ぼす欠陥の分類や密度の評価を行う予定である。基板由来の欠陥とp, n 層のエピ成長及びエッチング等のデバイスプロセス起因の欠陥の影響の違いを観察しやすくするため低転位密度の高圧合成基板を用いた検証も予定している。
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| Causes of Carryover |
研究遂行に必要な物品のうち、100円未満で調達可能な消耗品がなかったため。
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