2023 Fiscal Year Annual Research 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 | エネルギー変換効率 / ダイオード / 原子力電池 / ダイヤモンド / ベータボルタ電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ベータボルタ電池は数十年以上の長い電池寿命のため宇宙、深海等の極限環境でのリモートセンサへの給電やインプラントデバイスへの応用が期待されている。研究代表者らはこれまでに小径(250μm直径)のダイヤモンドpn接合ダイオードを用いて、高い電子線のエネルギー変換効率が得られることを示してきた。本研究はダイヤモンドpn接合ダイオードの大面積化や、ダイオード特性劣化要因の分類に取り組むものである。実施期間中(A) pn接合ダイオード順方向特性を劣化させる欠陥の同定, (B) 高出力化に向けた大面積pn接合ダイオードの試作、(C) ダイヤモンドpn接合の少数キャリア生成・輸送機構の評価の３つを進めた。(A)に関しては、電気特性評価から、高圧合成基板上の積層欠陥がダイオード順方向特性が劣化することを見出した。(B)については、上記の積層欠陥を避け、直径Φ1mm(従来の面積比16倍)のダイヤモンドpn接合ダイオードを試作し, 良好な整流特性を得た。また、pn接合形成は(111)を主面とした場合に限られる一方、(111)基板は小さいという課題がある。これに対し、CVD法による(100)バルク結晶成長・加工により7mm角の大型基板作製(従来比4倍)に成功した。(C)に関しては、極限環境での動作を想定して, pn接合ダイオードを用いて電子線のエネルギー変換効率の温度依存性評価を実施した。室温から、100K程度までは良好な変換効率が維持できる一方、極低温ではダイオードの直列抵抗増加により変換効率が著しく低下することが分かった。最終年度は, 項目(B), (C)で得られた成果を査読付き論文誌に2報投稿, 受理された。また、（C）の結果から室温よりも高温側で、他材料と比較した際のダイヤモンドベータボルタ電池の優位性があることが見込まれ、これを実験により示すための評価系構築を進めた。
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