En ny ultratynd fotovoltaisk celle kunne bruges som strømkilde til satellitter i områder af rummet, der oplever høje niveauer af stråling. Enheden, der er udviklet af forskere fra University of Cambridge i Storbritannien, bruger et tyndt lag galliumarsenid (GaAs) til at absorbere lys og er mere robust over for protonstråling end tykkere enheder, der er undersøgt tidligere.
Kosmisk stråling er ioniserende stråling, der består af en blanding af tunge ioner og kosmiske stråler (højenergiske protoner, elektroner og atomkerner). Jordens magnetfelt beskytter os mod 99.9% af denne stråling, og de resterende 0.1% er betydeligt svækket af vores atmosfære. Rumfartøjer modtager imidlertid ingen sådan beskyttelse, og stråling kan beskadige eller endda ødelægge deres indbyggede elektronik.
Strålingsinducerede defekter fanger fotoaktiverede ladningsbærere
I solceller introducerer strålingsskader defekter i de solcellematerialer, der danner cellens lyssamlende lag. Disse defekter fanger de fotoaktiverede ladningsbærere, der er ansvarlige for at generere en strøm af elektrisk strøm over materialet, hvilket reducerer strømmen og i sidste ende sænker cellens udgangseffekt.
Jo længere de ladede partikler skal rejse gennem solcellen, jo større sandsynlighed er der for, at de støder på en defekt og bliver fanget. Derfor betyder reduktion af denne rejseafstand, at en mindre del af partiklerne bliver fanget af defekter.
En måde at gøre dette på er at gøre solcellerne tyndere. I det nye arbejde har forskere ledet af Armin Barthel gjorde præcis det ved at fremstille deres celler ud fra en stak af halvledende materialer med et GaAs lysabsorberende lag kun 80 nm tykt.
For at teste, om denne strategi virkede, efterlignede holdet virkningerne af kosmisk stråling ved at bombardere den nye celle med protoner genereret ved Dalton Cumbrian Nuclear Facility i Storbritannien. De målte derefter cellens ydeevne ved hjælp af en kombination af tidsopløst katodoluminescens, som måler omfanget af strålingsskader, og en enhed kendt som en Compact Solar Simulator, der bestemmer, hvor godt de bombarderede enheder konverterer sollys til strøm.
Barthel og kolleger fandt ud af, at levetiden for ladningsbærere i deres enhed faldt fra omkring 198 picosekunder (10-12 s) forbestråling til omkring 6.2 picosekunder bagefter. Den faktiske strøm forblev dog konstant op til en vis tærskel for protonfluens, ud over hvilken den faldt kraftigt. Forskerne siger, at dette fald korrelerer med det punkt, hvor bærerens levetid, beregnet ud fra katodoluminescens, bliver sammenlignelig med den tid, det tager for bærere at krydse den ultratynde enhed.
Strømproduktion i krævende rummiljøer
"Den største potentielle anvendelse af de enheder, der er undersøgt i dette arbejde, er til strømproduktion i krævende rummiljøer," siger Barthel. I en undersøgelse, der beskriver forskningen, som er publiceret i Journal of Applied Physics, foreslår forskerne, at et sådant miljø kan være mellemjordsbaner (MEO'er) såsom Molniya-kredsløbet, der passerer gennem midten af Jordens protonstrålingsbælte og bruges til overvågning og kommunikation på høje breddegrader. Efterhånden som bedre beskyttede lavjordsbaner (LEO'er) bliver stadig mere rodede, vil sådanne baner blive vigtigere.
Carbon nanorør hjælper rumbundet elektronik til at modstå strålingsskader
Banen for Jupiters måne Europa, som er af særlig videnskabelig interesse i søgen efter udenjordisk liv, er et andet eksempel. Denne måne har et af de mest alvorlige strålingsmiljøer i solsystemet, og landing af et soldrevet rumfartøj der vil kræve meget strålingstolerante celler.
Selvom de nye celler primært er designet som en strømkilde til satellitter, fortæller Barthel Fysik verden at han "ikke udelukker ideen" om at bruge dem til at generere strøm i rummet til brug hernede på Jorden. Han og hans kolleger planlægger nu at bruge det, de lærte fra denne undersøgelse, til yderligere at optimere deres celler. "Indtil videre har vi kun set på én tykkelse for vores ultratynde celler, og vores resultater vil hjælpe os med at finde ud af, om der er en anden tykkelse, der giver et bedre kompromis mellem strålingstolerance og lysabsorption," forklarer Barthel. "Vi er også interesserede i at se på at stable flere ultratynde celler for at forbedre effektudgangen og også prøve forskellige materialekombinationer."
