Investigation of factors influencing the efficiency of nuclear batteries

Abstract

Bu tez çalışmasında bir radyoaktif izotoptan yayılan beta parçacıklarının kinetik enerjisinin elektriğe dönüşümü doğrudan ve dolaylı dönüşüm yöntemleri kullanılarak araştırılmıştır. Deneysel bölümde, Pm147 ve Sr90 beta kaynaklarından gelen düşük aktiviteli radyasyonun, iki farklı fosfor ve grafenin Si fotovoltaik hücre üzerindeki etkilerinin analizi yapılmıştır. Farklı kütle kalınlıklarına sahip fosfor tabakaları ZnS:CuCl ve SrAl2O4: Eu2+,Dy3+ fosfor tozlarından hazırlanmıştır. Doğrudan ve dolaylı nükleer pil modellerinin elektriksel performansları kısa devre akımı ve açık devre gerilimi ölçülerek analiz edilmiştir. Ayrıca, beta radyasyonu sırasında kısa devre akımının zamana bağlı değişimi incelenmiştir. En verimli batarya modeli Pm147/SrAl2O4:Eu2+,Dy3+/PV hücresi olarak belirlenmiştir. Teorik kısımda, betavoltaik pil tasarımları, p-n homoeklem ve p-n heteroeklem yarıiletkenler ve Ni63, Pm147 beta kaynakları kullanılarak ve verimliliği etkileyen parametreler göz önüne alınarak modellenmiştir. Si, GaP, GaN, GaP-Si ve GaN-Si betavoltaik bataryalarda elektriksel performansın teorik bir incelemesi yapılmıştır. Ek olarak, doping konsantrasyonunun ve eklem derinliğinin maksimum güç üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Heteroeklem fotovoltaik hücreler, hesaplamalarımıza göre betavoltaik pilde toplama verimliliğini ve gücü artıracağı için tercih edilmiştir. Doping konsantrasyonu ve eklem derinliği optimize edilerek, yüksek verimli heteroeklem betavoltaik piller elde edilmiştir.

In this thesis, the conversion of the kinetic energy of beta particles emitted from a radioactive isotope to electricity is investigated by using the direct and indirect conversion methods. In the experimental part, analysis of the effects of low-activity radiation from Pm147 and Sr90 beta sources, two different phosphors and graphene on Si photovoltaic cell is performed. Phosphor layers with different mass thicknesses are prepared from ZnS:CuCl and SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ phosphor powders. The electrical performances of direct and indirect nuclear battery models are analyzed by measuring short-circuit current and open-circuit voltage. Furthermore, the time-dependent variation of the short-circuit current during the beta irradiation is researched. The most efficient battery model is determined as Pm147/SrAl2O4:Eu2+,Dy3+/PV cell. In the theoretical part, betavoltaic battery designs are modeled using the p-n homojunctions, p-n heterojunctions, and Ni63, Pm147 beta sources by considering the parameters affecting the efficiency. A theoretical investigation of the electrical performances has been carried out on Si, GaP, GaN, GaP-Si, and GaN-Si betavoltaic batteries. In addition, the effects of doping concentration and junction depth on the maximum power are examined. The heterojunction photovoltaic cells are preferred to increase the collection efficiency and the power in the betavoltaic battery according to our calculations. By optimizing the doping concentration and junction depth, high-efficient heterojunction betavoltaic batteries are achieved.