Ultrahigh efficient betavoltaic cells using diamond pn junction

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18000
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Shimaoka Takehiro 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ベータボルタ電池 / 原子力電池 / pn接合 / ダイオード / エネルギー変換

Outline of Final Research Achievements

In the study of diamond pn junction beta voltaic batteries, which are expected to have the highest energy conversion efficiency in semiconductors, we conducted (1) classification of defects that degrade forward I-V characteristics, (2)reduction of defects and fabrication of large (111) diamond substrate, (3) temperature dependence evaluation of energy conversion efficiency assuming remote locations. For (1), it was found that stacking faults originated from HPHT substrate degrade the forward characteristics. For (2), using (100) CVD bulk growth technology, we succeeded in reducing defects and creating a large-scale (111) CVD substrate. For (3), we obtained an energy conversion efficiency more than twice as high as Si at > 150K.

Free Research Field

原子力工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究ではダイヤモンド半導体を用いた電子線のエネルギー変換に関する研究を実施した。
ダイオードが理想的な特性の発揮を妨げる欠陥の分類や出力向上のための素子の大型化、宇宙などの遠隔地を想定したエネルギー変換効率の温度依存性を評価し、シリコンと比較した優位性を実験により示した。本研究で得られた知見は、長期間動作が期待されるベータボルタ電池（電子線とダイオードを組み合わせた発電素子）による宇宙探索やダイヤモンド半導体を利用したパワーエレクトロニクスや耐環境エレクトロニクス等、他分野にも活用が期待される。