Uutta ultraohut aurinkokennoa voitaisiin käyttää virtalähteenä satelliiteille avaruuden alueilla, joilla on korkea säteilytaso. Brittiläisen Cambridgen yliopiston tutkijoiden kehittämä laite käyttää ohutta galliumarsenidikerrosta (GaAs) absorboimaan valoa ja on kestävämpi protonisäteilylle kuin aiemmin tutkitut paksummat laitteet.
Kosminen säteily on ionisoivaa säteilyä, joka muodostuu raskaiden ionien ja kosmisten säteiden (suurienergiset protonit, elektronit ja atomiytimet) seoksesta. Maan magneettikenttä suojaa meitä 99.9 prosentilta tästä säteilystä, ja loput 0.1 prosenttia vaimentaa merkittävästi ilmakehämme. Avaruusalukset eivät kuitenkaan saa tällaista suojaa, ja säteily voi vahingoittaa tai jopa tuhota niiden elektroniikkaa.
Säteilyn aiheuttamat viat vangitsevat valoaktivoituja varauksenkuljettajia
Aurinkokennoissa säteilyvauriot aiheuttavat vikoja aurinkosähköaineisiin, jotka muodostavat solun valoa keräävän kerroksen. Nämä viat vangitsevat valoaktivoidut varauksenkantajat, jotka ovat vastuussa sähkövirran tuottamisesta materiaalin poikki, vähentäen virtaa ja lopulta alentavat kennon tehoa.
Mitä pidemmälle varautuneiden hiukkasten täytyy kulkea aurinkokennon läpi, sitä todennäköisemmin ne kohtaavat vian ja jäävät loukkuun. Näin ollen tämän matkan lyhentäminen tarkoittaa, että pienempi osa hiukkasista jää loukkuun vikojen takia.
Yksi tapa tehdä tämä on ohuempia aurinkokennoja. Uudessa työssä tutkijat johtivat Armin Barthel teki juuri niin, valmistamalla solunsa pinosta puolijohtavia materiaaleja, joissa oli vain 80 nm:n paksuinen GaAs-valoa absorboiva kerros.
Testaakseen, toimiiko tämä strategia, ryhmä jäljitteli kosmisen säteilyn vaikutuksia pommittamalla uutta solua protoneilla, jotka syntyivät Dalton Cumbrian ydinlaitoksessa Isossa-Britanniassa. Sitten he mittasivat kennon suorituskyvyn käyttämällä aikaerotettua katodiluminesenssia, joka mittaa säteilyvaurion laajuutta, ja laitetta, joka tunnetaan nimellä Compact Solar Simulator ja joka määrittää, kuinka hyvin pommitetut laitteet muuntavat auringonvalon tehoksi.
Barthel ja kollegat havaitsivat, että heidän laitteensa varauksenkuljettajien elinikä lyheni noin 198 pikosekunnista (10-12 s) esisäteily noin 6.2 pikosekuntiin jälkeenpäin. Todellinen virta pysyi kuitenkin vakiona tiettyyn protonivirtauksen kynnykseen asti, jonka yli se putosi jyrkästi. Tutkijat sanovat, että tämä pudotus korreloi pisteen kanssa, jossa kantoaineen käyttöikä katodiluminesenssista laskettuna on verrattavissa aikaan, joka kuluu kantoaaltojen ylittämiseen erittäin ohuen laitteen.
Sähköntuotantoa vaativissa tilaympäristöissä
"Tässä työssä tutkittujen laitteiden pääasiallinen mahdollinen sovelluskohde on voimantuotanto vaativissa avaruusympäristöissä", Barthel sanoo. Tutkimusta kuvaavassa tutkimuksessa, joka on julkaistu v Journal of Applied Physics, tutkijat ehdottavat, että yksi tällainen ympäristö voisi olla Keski-Maan kiertoradat (MEO:t), kuten Molniyan kiertorata, joka kulkee Maan protonisäteilyvyöhykkeen keskustan läpi ja jota käytetään seurantaan ja viestintään korkeilla leveysasteilla. Kun paremmin suojatut matalan maapallon kiertoradat (LEO:t) tulevat yhä sotkuisemmiksi, niistä tulee entistä tärkeämpiä.
Hiilinanoputket auttavat avaruudessa olevaa elektroniikkaa vastustamaan säteilyvaurioita
Toinen esimerkki on Jupiterin kuun Europan kiertorata, joka on erityisen tieteellisesti kiinnostava maan ulkopuolisen elämän etsimisessä. Tällä kuulla on yksi aurinkokunnan vakavimmista säteilyympäristöistä, ja aurinkovoimalla toimivan avaruusaluksen laskeutuminen sinne vaatii erittäin säteilyä sietäviä soluja.
Vaikka uudet solut on ensisijaisesti suunniteltu satelliittien virtalähteeksi, Barthel kertoo Fysiikan maailma että hän "ei sulje pois ajatusta" käyttää niitä sähkön tuottamiseen avaruudessa käytettäväksi täällä maan päällä. Hän ja hänen kollegansa aikovat nyt käyttää tästä tutkimuksesta oppimaansa solujensa optimoimiseksi edelleen. "Tähän mennessä olemme tarkastelleet vain yhtä paksuutta ultraohuille kennoillemme, ja tulokset auttavat meitä selvittämään, onko olemassa eri paksuus, joka antaa paremman kompromissin säteilyn sietokyvyn ja valon absorption välillä", Barthel selittää. "Olemme myös kiinnostuneita tutkimaan useiden ultraohuiden kennojen pinoamista tehon parantamiseksi ja myös kokeilemaan erilaisia materiaaliyhdistelmiä."
