Оптимизация p–i–n структуры на основе GaN для бетавольтаического преобразования энергии
https://doi.org/10.29235/1561-8323-2026-70-5-415-423
Анатацыя
Определены оптимальные значения толщины бета-источника 63Ni для бетавольтаического преобразователя энергии с помощью программного пакета Geant4, предназначенного для математического моделирования прохождения частиц через вещество методом Монте-Карло, c учетом эффекта самопоглощения. Так, при толщине 2 мкм поверхностная активность достигает 90 % от насыщения и составляет 4,6 ‧108 Бк‧см–2. Рассчитаны энергетические спектры электронов на поверхности источника в зависимости от его толщины, на их основании оптимизированы параметры барьерной p–i–n структуры на основе нитрида галлия GaN, в которой происходит поглощение бета-частиц, генерация электронно-дырочных пар и их разделение встроенным электрическим полем. Как показали расчеты, максимальная электрическая мощность, генерируемая бетавольтаическим преобразователем, составляет 0,12 мкВт‧см–2, что соответствует КПД бетавольтаического преобразования 6,7 %. Полученные результаты в дальнейшем будут использованы для создания прототипа бетавольтаического преобразователя энергии на основе нитрида галлия GaN.
Аб аўтарах
Т. ШипицаБеларусь
А. Мазаник
Беларусь
К. Афанасьев
Беларусь
В. Баев
Беларусь
А. Бринь
Беларусь
И. Свито
Беларусь
А. Волков
Беларусь
Т. Войтеховский
Беларусь
Спіс літаратуры
1. Review – Betavoltaic cell: the past, present, and future / C. Zhou, J. Zhang, X. Wang [et al.] // ECS Journal of Solid State Science and Technology. – 2021. – Vol. 10. – Art 027005. https://doi.org/10.1149/2162-8777/abe423
2. Betavoltaic nuclear battery: a review of recent progress and challenges as an alternative energy source / M. B. Naseem, H. S. Kim, J. Lee [et al.] // Journal of Physical Chemistry C. – 2023. – Vol. 127, N 16. – P. 7565–7579. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c00684
3. Agyekum, E. B. Beta-voltaic nuclear batteries – review of recent developments, challenges and future research directions / E. B. Agyekum // Journal of Energy Storage. – 2025. – Vol. 122. – Art. 116701. https://doi.org/10.1016/j.est.2025.116701
4. Ji, W. Measurement of low energy beta radiation from Ni-63 by using peeled-off Gafchromic EBT3 film / W. Ji, J.-B. Kim, J.-J. Kim // Nuclear Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 54, N 10. – P. 3811–3815. https://doi.org/10.1016/j.net.2022.05.009
5. Properties and data of the isotope 63Ni // ChemLin. – URL: https://www.chemlin.org/isotope/nickel-63 (date of access: 28 July 2026).
6. ESTAR: Stopping Powers and Ranges for Electrons // NIST. – URL: https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html (date of access: 28 July 2026).
7. Kanaya, K. Penetration and energy-loss theory of electrons in solid targets / K. Kanaya, S. Okayama // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1972. – Vol. 5. – Art. 43. https://doi.org/10.1088/0022-3727/5/1/308
8. Geant4 – a simulation toolkit / S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2003. – Vol. 506, N 3. – P. 250–303. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8
9. Semiconductor Module // COMSOL. – URL: https://www.comsol.com/semiconductor-module (date of access: 22 July 2026).
10. Defect-related optical transitions in GaN / W. Rieger, R. Dimitrov, D. Brunner [et al.] // Physical Review B. – 1996. – Vol. 54. – Art. 17596. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.17596
11. Optical band gap dependence on composition and thickness of InxGa1−xN (0 < x < 0.25) grown on GaN / C. A. Parker, J. C. Roberts, S. M. Bedair [et al.] // Applied Physics Letters. – 1999. – Vol. 75, N 17. – P. 2566–2568. https://doi.org/10.1063/1.125079
12. First-principles calculations of indirect Auger recombination in nitride semiconductors / E. Kioupakis, D. Steiauf, P. Rinke [et al.] // Physical Review B. – 2015. – Vol. 92. – Art. 035207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.035207
13. Modeling and simulation of bulk gallium nitride power semiconductor devices / G. Sabui, P. J. Parbrook, M. Arredondo-Arechavala, Z. J. Shen // AIP Advances. – 2016. – Vol. 6, N 5. – Art. 055006. https://doi.org/10.1063/1.4948794
14. Carrier dynamics in bulk GaN / P. Ščajev, K. Jarašiūnas, S. Okur [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 111, N 2. – Art. 023702. https://doi.org/10.1063/1.3673851
15. Caughey, D. M. Carrier mobilities in silicon empirically related to doping and field / D. M. Caughey, R. E. Thomas // Proceedings of the IEEE. – 1967. – Vol. 55, N 12. – P. 2192–2193. https://doi.org/10.1109/PROC.1967.6123
16. Vitanov, S. Simulation of high electron mobility transistors: Ph. D. thesis / S. Vitanov. – Wien, 2010.
17. Sellin, P. J. New materials for radiation hard semiconductor detectors / P. J. Sellin, J. Vaitkus // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2006. – Vol. 557, N 2. – P. 479–489. https://doi.org/10.1016/j.nima.2005.10.128
18. A high open-circuit voltage gallium nitride betavoltaic microbattery / Z. Cheng, X. Chen, H. San [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2012. – Vol. 22, N 7. – Art. 074011. https://doi.org/10.1088/0960-1317/22/7/074011
19. High open-circuit voltage betavoltaic cell based on GaN pin homojunction / Z. J. Cheng, H. S. San, Z. H. Feng [et al.] // Electronics Letters. – 2011. – Vol. 47, N 12. https://doi.org/10.1049/el.2011.1143
##reviewer.review.form##
JATS XML






































