Convertisseur d'energie betavoltaiques a base de nitrure de gallium – BATGAN

Les cellules betavoltaïques sont des sources électriques prometteuses pour les systèmes micro-electro-mécaniques (MEMS), les capteurs environnementaux embarqués, les stimulateurs cardiaques et les implants biomédicaux, les applications spatiales et tout système électronique où la taille, et/ou l’accessibilité sont un problème. Les cellules betavoltaïques autorisent de fortes densités de puissance (400 mW/cm3 ou 3.80 mW/kg pour 63Ni), peuvent résister à des conditions extrêmes et avoir une durée de demi-vie très longue (100 ans pour 63Ni). Ces cellules sont équivalentes, en terme de puissance par unité de volume, aux piles alcalines et peuvent fonctionner de façon continue et sans danger sur des périodes de plusieurs dizaines d’années sans recharge. Les sources?betavoltaiques sont réalisées à partir d’une structure p-i-n équivalente à une cellule photovoltaïque, à la différence près que ce sont des radiations beta (électrons de forte énergie résultant de la désintégration des neutrons en électrons et photons) qui sont absorbées par la jonction p-i-n. Ces électrons induisent de nombreuses ionisations conduisant à la génération de nombreuses paires électrons-trous qui sont collectées. La profondeur de pénétration des radiations beta dans les matériaux solides n’étant que de quelques microns, ces radiations peuvent être aisément confinées dans des boitiers sécurisés. Plusieurs isotopes produisent des radiations betas pures sans émission de radiations gamma difficiles à confiner, et sans émission de particules alpha, ces dernières étant faciles à confiner mais pouvant dégrader les jonctions p-n des semi-conducteurs. La France, étant donnée sa position de leader dans les programmes nucléaires, est bien placée pour mener le développement de ces batteries, d’autant plus que les déchets nucléaires produits par les réacteurs nucléaires peuvent produire des isotopes à radiations beta à l’échelle industrielle. En revanche, à notre connaissance, la France ne mène pas actuellement de recherches dans ce secteur et la plupart des progrès récents viennent des États-Unis. Le projet BATGAN rassemble des chercheurs expérimentés de la communauté scientifique française dans le but d’essayer d’établir la voie d’une production industrielle pour les composants beta voltaïques. Les partenaires dans ce projet ont des compétences complémentaires, en croissance par épitaxie des matériaux semi-conducteurs à grand gap (UMI GT-CNRS), en procédés technologiques des matériaux semi-conducteurs (LPN/CNRS), en dépôt des matériaux beta nucléaires pour leur utilisation dans des composants (CEA-LIST), et en dépôt des couches minces de ZnO par la startup Française Nanovation reconnue mondialement pour son expérience dans ce domaine. Le but de ce projet Beta piles est de démontrer la faisabilité d’une pile betavoltaique à partir de diodes à jonction p-i-n à base de GaN. alimentés en puissance par une source en Nickel-63. Le GaN et ses composés sont connus pour leur résistance aux radiations et leur efficacité énergétique. Le nickel 63 est un isotope qui a une demi-vie de 100 ans, qui émet des radiations beta d’énergie moyenne de 17 keV avec une longueur de pénétration ne dépassant pas 1.5 micron dans GaN. L’objectif du projet BATGAN est de déveloper une nouvelle génération de piles betavoltaiques constituées d’un empilement de deux jonction p-i-n autour d’une couche de nickel 63 qui pourront ouvrir la voie à la réalisation de nouveau capteurs ou composants très compacts. Ce projet étant basé sur la démonstration du concept physique en utilisant des bases technologiques éprouvées, il a une grande probabilité de succès.