Optimizing Betavoltaic Devices: A Simulation and Experimental Study

This thesis presents a comprehensive study on the optimization of betavoltaic devices through both simulation and experimental approaches. In the simulation component, self-absorption within the radioactive source and the effects of backscattering are characterized using the Geant4 Monte Carlo toolkit. The resulting energy deposition profiles and electron–hole pair generation are analyzed in detail. Additionally, the electrical behavior of the device—including current–voltage (I–V) characteristics, charge carrier dynamics, and electrostatic potential distributions are simulated using COMSOL Multiphysics. Novel optimization strategy is investigated for enhancing device efficiency. On the experimental side, a dedicated measurement setup is developed to characterize prototype devices. Special attention is given to mitigating capacitive and thermal effects that may distort the response of the device under test. The betavoltaic performance is evaluated under beta radiation exposure, and key electrical parameters are extracted. Simulation results are systematically compared with experimental data to validate the models and provide deeper insight into the physics governing betavoltaic performance. The combined approach offers valuable guidelines for the design and fabrication of more efficient and reliable betavoltaic energy sources.

Questa tesi presenta uno studio completo sull'ottimizzazione dei dispositivi betavoltaici attraverso approcci sia simulativi che sperimentali. Nella parte dedicata alla simulazione, l’autoassorbimento all'interno della sorgente radioattiva e gli effetti di backscattering vengono caratterizzati utilizzando il toolkit Monte Carlo Geant4. I profili di deposizione dell'energia risultanti e la generazione di coppie elettrone–lacuna sono analizzati in dettaglio. Inoltre, il comportamento elettrico del dispositivo—incluse le caratteristiche corrente–tensione (I–V), la dinamica dei portatori di carica e la distribuzione del potenziale elettrostatico—è simulato tramite il software COMSOL Multiphysics. Vengono esplorate strategie innovative per migliorare l'efficienza del dispositivo. Dal punto di vista sperimentale, è stato sviluppato un setup di misura dedicato alla caratterizzazione dei prototipi. Particolare attenzione è stata posta alla mitigazione degli effetti capacitivi e termici che possono influenzare la risposta del dispositivo in prova. Le prestazioni betavoltaiche sono valutate sotto esposizione a radiazione beta e vengono estratti i principali parametri elettrici. I risultati ottenuti tramite simulazione sono sistematicamente confrontati con i dati sperimentali, al fine di validare i modelli e fornire una comprensione più profonda della fisica alla base del funzionamento dei dispositivi betavoltaici. L'approccio combinato offre indicazioni preziose per la progettazione e la realizzazione di sorgenti energetiche betavoltaiche più efficienti e affidabili.