Eine neue ultradünne Photovoltaikzelle könnte als Stromquelle für Satelliten in Regionen des Weltraums mit hoher Strahlungsbelastung verwendet werden. Das von Forschern der University of Cambridge im Vereinigten Königreich entwickelte Gerät verwendet eine dünne Schicht aus Galliumarsenid (GaAs), um Licht zu absorbieren, und ist robuster gegenüber Protonenstrahlung als zuvor untersuchte dickere Geräte.
Kosmische Strahlung ist ionisierende Strahlung, die aus einem Gemisch aus schweren Ionen und kosmischer Strahlung (energiereiche Protonen, Elektronen und Atomkerne) besteht. Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor 99.9 % dieser Strahlung, die restlichen 0.1 % werden durch unsere Atmosphäre erheblich gedämpft. Raumfahrzeuge erhalten jedoch keinen solchen Schutz, und Strahlung kann ihre Bordelektronik beschädigen oder sogar zerstören.
Strahlungsinduzierte Defekte fangen photoaktivierte Ladungsträger ein
In Solarzellen führt Strahlungsschaden zu Defekten in den photovoltaischen Materialien, die die lichtsammelnde Schicht der Zelle bilden. Diese Defekte fangen die photoaktivierten Ladungsträger ein, die für die Erzeugung eines elektrischen Stromflusses durch das Material verantwortlich sind, wodurch der Strom reduziert und letztendlich die Leistungsabgabe der Zelle verringert wird.
Je weiter die geladenen Teilchen durch die Solarzelle wandern müssen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie auf einen Defekt stoßen und eingefangen werden. Daher bedeutet eine Reduzierung dieser Laufstrecke, dass ein kleinerer Anteil der Partikel von Defekten eingefangen wird.
Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Solarzellen dünner zu machen. In der neuen Arbeit führten Forscher durch Armin Bartel taten genau das, indem sie ihre Zellen aus einem Stapel halbleitender Materialien mit einer nur 80 nm dicken lichtabsorbierenden GaAs-Schicht herstellten.
Um zu testen, ob diese Strategie funktionierte, ahmte das Team die Auswirkungen kosmischer Strahlung nach, indem es die neue Zelle mit Protonen bombardierte, die in der Dalton Cumbrian Nuclear Facility im Vereinigten Königreich erzeugt wurden. Dann maßen sie die Leistung der Zelle mit einer Kombination aus zeitaufgelöster Kathodolumineszenz, die das Ausmaß der Strahlungsschäden misst, und einem als Compact Solar Simulator bekannten Gerät, das bestimmt, wie gut die bombardierten Geräte Sonnenlicht in Strom umwandeln.
Barthel und Kollegen fanden heraus, dass die Lebensdauer von Ladungsträgern in ihrem Gerät von etwa 198 Pikosekunden (10-12 s) Vorstrahlung auf etwa 6.2 Pikosekunden danach. Der tatsächliche Strom blieb jedoch bis zu einer bestimmten Schwelle der Protonenfluenz konstant, darüber hinaus fiel er stark ab. Die Forscher sagen, dass dieser Rückgang mit dem Punkt korreliert, an dem die Trägerlebensdauer, berechnet aus Kathodolumineszenz, vergleichbar mit der Zeit wird, die Träger benötigen, um das ultradünne Gerät zu durchqueren.
Stromerzeugung in anspruchsvollen Weltraumumgebungen
„Die potenzielle Hauptanwendung der in dieser Arbeit untersuchten Geräte ist die Stromerzeugung in anspruchsvollen Weltraumumgebungen“, sagt Barthel. In einer Studie, die die Forschung beschreibt, die in veröffentlicht wurde Zeitschrift für Angewandte Physikschlagen die Forscher vor, dass eine solche Umgebung Mittelerdumlaufbahnen (MEOs) wie die Molniya-Umlaufbahn sein könnten, die durch das Zentrum des Protonenstrahlungsgürtels der Erde verläuft und für die Überwachung und Kommunikation in hohen Breiten verwendet wird. Da besser geschützte erdnahe Umlaufbahnen (LEOs) immer unübersichtlicher werden, werden solche Umlaufbahnen immer wichtiger.
Kohlenstoffnanoröhren helfen weltraumgebundener Elektronik, Strahlungsschäden zu widerstehen
Ein weiteres Beispiel ist die Umlaufbahn des Jupitermondes Europa, die für die Suche nach außerirdischem Leben von besonderem wissenschaftlichem Interesse ist. Dieser Mond hat eine der strengsten Strahlungsumgebungen im Sonnensystem, und die Landung eines solarbetriebenen Raumfahrzeugs dort erfordert hochgradig strahlungstolerante Zellen.
Obwohl die neuen Zellen in erster Linie als Energiequelle für Satelliten konzipiert sind, erzählt Barthel Physik-Welt dass er „die Idee nicht ausschließt“, sie zur Stromerzeugung im Weltraum für den Einsatz hier unten auf der Erde zu nutzen. Er und seine Kollegen wollen die Erkenntnisse aus dieser Studie nun nutzen, um ihre Zellen weiter zu optimieren. „Bisher haben wir für unsere ultradünnen Zellen nur eine Dicke betrachtet, und unsere Ergebnisse werden uns helfen herauszufinden, ob es eine andere Dicke gibt, die einen besseren Kompromiss zwischen Strahlungstoleranz und Lichtabsorption bietet“, erklärt Barthel. „Wir sind auch daran interessiert, mehrere ultradünne Zellen zu stapeln, um die Leistungsabgabe zu verbessern, und auch verschiedene Materialkombinationen auszuprobieren.“
