Una nueva célula fotovoltaica ultrafina podría utilizarse como fuente de energía para satélites en regiones del espacio que experimentan altos niveles de radiación. Desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, el dispositivo utiliza una fina capa de arseniuro de galio (GaAs) para absorber la luz y es más resistente a la radiación de protones que los dispositivos más gruesos estudiados anteriormente.
La radiación cósmica es una radiación ionizante formada por una mezcla de iones pesados y rayos cósmicos (protones, electrones y núcleos atómicos de alta energía). El campo magnético terrestre nos protege del 99.9% de esta radiación, y el 0.1% restante es atenuado significativamente por nuestra atmósfera. Sin embargo, las naves espaciales no reciben tal protección y la radiación puede dañar o incluso destruir sus componentes electrónicos a bordo.
Los defectos inducidos por radiación atrapan portadores de carga fotoactivados
En las celdas solares, el daño por radiación introduce defectos en los materiales fotovoltaicos que forman la capa colectora de luz de la celda. Estos defectos atrapan a los portadores de carga fotoactivados responsables de generar un flujo de corriente eléctrica a través del material, reduciendo la corriente y, en última instancia, reduciendo la potencia de salida de la celda.
Cuanto más lejos deben viajar las partículas cargadas a través de la celda solar, más probable es que encuentren un defecto y queden atrapadas. Por lo tanto, reducir esta distancia de viaje significa que una fracción más pequeña de las partículas quedará atrapada por los defectos.
Una forma de hacer esto es hacer que las células solares sean más delgadas. En el nuevo trabajo, investigadores dirigidos por armin barthel hizo exactamente eso, fabricando sus células a partir de una pila de materiales semiconductores con una capa absorbente de luz de GaAs de solo 80 nm de espesor.
Para probar si esta estrategia funcionó, el equipo imitó los efectos de la radiación cósmica bombardeando la nueva celda con protones generados en la instalación nuclear de Dalton Cumbrian en el Reino Unido. Luego midieron el rendimiento de la celda utilizando una combinación de catodoluminiscencia resuelta en el tiempo, que mide la extensión del daño por radiación, y un dispositivo conocido como Simulador Solar Compacto que determina qué tan bien los dispositivos bombardeados convierten la luz solar en energía.
Barthel y sus colegas encontraron que la vida útil de los portadores de carga en su dispositivo disminuyó de alrededor de 198 picosegundos (10-12 s) pre-radiación a alrededor de 6.2 picosegundos después. Sin embargo, la corriente real permaneció constante hasta cierto umbral de fluencia de protones, más allá del cual cayó bruscamente. Los investigadores dicen que esta caída se correlaciona con el punto en el que la vida útil del portador, calculada a partir de la catodoluminiscencia, se vuelve comparable al tiempo que tardan los portadores en cruzar el dispositivo ultrafino.
Generación de energía en entornos espaciales exigentes
“La principal aplicación potencial de los dispositivos estudiados en este trabajo es la generación de energía en entornos espaciales exigentes”, dice Barthel. En un estudio que describe la investigación, que se publica en Revista de Física Aplicada, los investigadores sugieren que uno de esos entornos podrían ser las órbitas de la Tierra media (MEO), como la órbita de Molniya, que pasa por el centro del cinturón de radiación de protones de la Tierra y se utiliza para el seguimiento y las comunicaciones en latitudes altas. A medida que las órbitas terrestres bajas (LEO, por sus siglas en inglés) mejor protegidas se vuelvan cada vez más congestionadas, dichas órbitas se volverán más importantes.
Los nanotubos de carbono ayudan a la electrónica espacial a resistir el daño por radiación
La órbita de la luna Europa de Júpiter, que es de particular interés científico en la búsqueda de vida extraterrestre, es otro ejemplo. Esta luna tiene uno de los entornos de radiación más severos del sistema solar y el aterrizaje de una nave espacial impulsada por energía solar allí requerirá células altamente tolerantes a la radiación.
Aunque las nuevas celdas están diseñadas principalmente como fuente de energía para los satélites, Barthel dice Mundo de la física que "no descarta la idea" de usarlos para generar energía en el espacio para usar aquí en la Tierra. Él y sus colegas ahora planean usar lo que aprendieron de este estudio para optimizar aún más sus células. “Hasta ahora, solo hemos analizado un grosor para nuestras células ultrafinas y nuestros resultados nos ayudarán a determinar si hay un grosor diferente que proporcione un mejor compromiso entre la tolerancia a la radiación y la absorción de luz”, explica Barthel. "También estamos interesados en apilar múltiples celdas ultrafinas para mejorar la potencia de salida y también probar diferentes combinaciones de materiales".
