سلول‌های خورشیدی نازک‌تر در برابر تشعشعات فضایی مقاوم‌تر هستند

یک سلول فتوولتائیک فوق نازک جدید می تواند به عنوان منبع انرژی برای ماهواره ها در مناطقی از فضا که سطوح بالایی از تابش را تجربه می کنند استفاده شود. این دستگاه که توسط محققان دانشگاه کمبریج در بریتانیا ساخته شده است، از یک لایه نازک از آرسنید گالیم (GaAs) برای جذب نور استفاده می کند و نسبت به دستگاه های ضخیم تر که قبلاً مطالعه شده بود، در برابر تشعشعات پروتون قوی تر است.

تشعشعات کیهانی پرتوهای یونیزان هستند که از مخلوطی از یون‌های سنگین و پرتوهای کیهانی (پروتون‌ها، الکترون‌ها و هسته‌های اتمی پرانرژی) تشکیل شده‌اند. میدان مغناطیسی زمین از ما در برابر 99.9 درصد این تشعشعات محافظت می کند و 0.1 درصد باقی مانده به طور قابل توجهی توسط جو ما ضعیف می شود. با این حال فضاپیماها چنین حفاظتی را دریافت نمی کنند و تشعشعات می تواند به وسایل الکترونیکی آن ها آسیب برساند یا حتی آنها را از بین ببرد.

نقص‌های ناشی از تشعشع، حامل‌های بار فعال‌شده با نور را به دام می‌اندازند

در سلول های خورشیدی، آسیب تشعشع، نقص هایی را در مواد فتوولتائیک ایجاد می کند که لایه جمع کننده نور سلول را تشکیل می دهند. این نقایص حامل‌های بار فعال‌شده با نور را به دام می‌اندازند که مسئول تولید جریان الکتریکی در سراسر ماده، کاهش جریان و در نهایت کاهش توان خروجی سلول هستند.

هرچه ذرات باردار بیشتر از طریق سلول خورشیدی حرکت کنند، احتمال بیشتری وجود دارد که با نقص مواجه شوند و به دام بیفتند. بنابراین، کاهش این فاصله سفر به این معنی است که بخش کوچکتری از ذرات در اثر نقص به دام می‌افتند.

یکی از راه‌های انجام این کار، نازک‌تر کردن سلول‌های خورشیدی است. در کار جدید، محققان به رهبری آرمین بارتل دقیقاً همین کار را انجام دادند و سلول‌های خود را از پشته‌ای از مواد نیمه‌رسانا با لایه‌ای جاذب نور GaAs به ضخامت ۸۰ نانومتر ساختند.

برای آزمایش اینکه آیا این استراتژی کارآمد است یا خیر، این تیم با بمباران سلول جدید با پروتون های تولید شده در تاسیسات هسته ای دالتون کامبرین در بریتانیا، اثرات تشعشعات کیهانی را تقلید کردند. سپس آنها عملکرد سلول را با استفاده از ترکیبی از کاتودولومینسانس با تفکیک زمانی، که میزان آسیب تشعشع را اندازه گیری می کند، و دستگاهی به نام Compact Solar Simulator که تعیین می کند دستگاه های بمباران شده چگونه نور خورشید را به انرژی تبدیل می کنند، اندازه گیری کردند.

بارتل و همکاران دریافتند که طول عمر حامل های شارژ در دستگاه آنها از حدود 198 پیکوثانیه (10) کاهش یافته است.^-12 s) پیش تابش تا حدود 6.2 پیکوثانیه پس از آن. با این حال، جریان واقعی تا آستانه خاصی از شار پروتون ثابت ماند، که فراتر از آن به شدت کاهش یافت. محققان می گویند این افت با نقطه ای که در آن طول عمر حامل، محاسبه شده از کاتدولومینسانس، با زمانی که طول می کشد تا حامل ها از دستگاه فوق نازک عبور کنند، قابل مقایسه است.

تولید برق در محیط های فضایی پر تقاضا

بارتل می گوید: «کاربرد بالقوه اصلی دستگاه های مورد مطالعه در این کار برای تولید برق در محیط های فضایی پر تقاضا است. در مطالعه ای که این تحقیق را شرح می دهد، که در منتشر شده است مجله فیزیک کاربردیمحققان پیشنهاد می‌کنند که یکی از این محیط‌ها ممکن است مدارهای میانی زمین (MEO) باشد، مانند مدار مولنیا که از مرکز کمربند تشعشعی پروتون زمین می‌گذرد و برای نظارت و ارتباطات در عرض‌های جغرافیایی بالا استفاده می‌شود. همانطور که مدارهای پایین زمین با محافظت بهتر (LEO) هرچه بیشتر به هم ریخته می شوند، چنین مدارهایی اهمیت بیشتری پیدا می کنند.

مدار قمر مشتری اروپا، که در جستجوی حیات فرازمینی از اهمیت علمی خاصی برخوردار است، مثال دیگری است. این قمر یکی از شدیدترین محیط‌های تشعشعی در منظومه شمسی را دارد و فرود یک فضاپیمای خورشیدی در آنجا به سلول‌هایی با تحمل تشعشع بالا نیاز دارد.

بارتل می گوید اگرچه سلول های جدید در درجه اول به عنوان منبع انرژی برای ماهواره ها طراحی شده اند دنیای فیزیک که او "ایده" استفاده از آنها را برای تولید انرژی در فضا برای استفاده در اینجا روی زمین رد نمی کند. او و همکارانش اکنون قصد دارند از آنچه از این مطالعه آموخته اند برای بهینه سازی بیشتر سلول های خود استفاده کنند. بارتل توضیح می‌دهد: «تا کنون، ما فقط به یک ضخامت برای سلول‌های بسیار نازک خود نگاه کرده‌ایم و نتایج به ما کمک می‌کند تا بفهمیم آیا ضخامت متفاوتی وجود دارد که سازش بهتری بین تحمل تشعشع و جذب نور ایجاد می‌کند یا خیر». ما همچنین علاقه‌مندیم که سلول‌های بسیار نازک متعدد را روی هم بچسبانیم تا توان خروجی را بهبود بخشیم و همچنین ترکیب‌های مختلف مواد را امتحان کنیم.»