Une nouvelle cellule photovoltaïque ultra-mince pourrait être utilisée comme source d'alimentation pour les satellites dans les régions de l'espace qui subissent des niveaux élevés de rayonnement. Développé par des chercheurs de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, le dispositif utilise une fine couche d'arséniure de gallium (GaAs) pour absorber la lumière et est plus robuste au rayonnement protonique que les dispositifs plus épais étudiés précédemment.
Le rayonnement cosmique est un rayonnement ionisant constitué d'un mélange d'ions lourds et de rayons cosmiques (protons de haute énergie, électrons et noyaux atomiques). Le champ magnétique terrestre nous protège de 99.9 % de ce rayonnement, et les 0.1 % restants sont considérablement atténués par notre atmosphère. Cependant, les engins spatiaux ne bénéficient pas d'une telle protection et les radiations peuvent endommager ou même détruire leur électronique embarquée.
Les défauts radio-induits piègent les porteurs de charge photoactivés
Dans les cellules solaires, les dommages causés par les radiations introduisent des défauts dans les matériaux photovoltaïques qui forment la couche collectrice de lumière de la cellule. Ces défauts piègent les porteurs de charge photoactivés responsables de la génération d'un flux de courant électrique à travers le matériau, réduisant le courant et réduisant finalement la puissance de sortie de la cellule.
Plus les particules chargées doivent traverser la cellule solaire, plus elles sont susceptibles de rencontrer un défaut et d'être piégées. Par conséquent, la réduction de cette distance de déplacement signifie qu'une plus petite fraction des particules sera piégée par des défauts.
Une façon d'y parvenir est de rendre les cellules solaires plus minces. Dans le nouveau travail, des chercheurs dirigés par Armin Barthel ont fait exactement cela, en fabriquant leurs cellules à partir d'un empilement de matériaux semi-conducteurs avec une couche absorbant la lumière en GaAs de seulement 80 nm d'épaisseur.
Pour tester si cette stratégie fonctionnait, l'équipe a imité les effets du rayonnement cosmique en bombardant la nouvelle cellule avec des protons générés à l'installation nucléaire de Dalton Cumbrian au Royaume-Uni. Ils ont ensuite mesuré les performances de la cellule en utilisant une combinaison de cathodoluminescence résolue dans le temps, qui mesure l'étendue des dommages causés par les radiations, et un appareil connu sous le nom de simulateur solaire compact qui détermine dans quelle mesure les appareils bombardés convertissent la lumière du soleil en énergie.
Barthel et ses collègues ont constaté que la durée de vie des porteurs de charge dans leur appareil diminuait d'environ 198 picosecondes (10- 12 s) pré-rayonnement à environ 6.2 picosecondes après. Cependant, le courant réel restait constant jusqu'à un certain seuil de fluence protonique, au-delà duquel il diminuait fortement. Les chercheurs affirment que cette baisse est en corrélation avec le moment où la durée de vie des porteurs, calculée à partir de la cathodoluminescence, devient comparable au temps nécessaire aux porteurs pour traverser le dispositif ultrafin.
Production d'électricité dans des environnements spatiaux exigeants
"La principale application potentielle des dispositifs étudiés dans ce travail est la production d'électricité dans des environnements spatiaux exigeants", déclare Barthel. Dans une étude décrivant la recherche, qui est publiée dans Journal de physique appliquée, les chercheurs suggèrent qu'un tel environnement pourrait être les orbites terrestres du milieu (MEO) telles que l'orbite de Molniya qui passe par le centre de la ceinture de rayonnement protonique de la Terre et est utilisée pour la surveillance et les communications aux hautes latitudes. À mesure que les orbites terrestres basses (LEO) mieux protégées deviennent de plus en plus encombrées, ces orbites deviendront plus importantes.
Les nanotubes de carbone aident l'électronique spatiale à résister aux dommages causés par les radiations
L'orbite d'Europe, la lune de Jupiter, qui présente un intérêt scientifique particulier pour la recherche de vie extraterrestre, en est un autre exemple. Cette lune possède l'un des environnements de rayonnement les plus sévères du système solaire et l'atterrissage d'un vaisseau spatial à énergie solaire là-bas nécessitera des cellules hautement tolérantes au rayonnement.
Bien que les nouvelles cellules soient principalement conçues comme une source d'alimentation pour les satellites, Barthel raconte Monde de la physique qu'il "n'exclut pas l'idée" de les utiliser pour générer de l'énergie dans l'espace pour une utilisation ici sur Terre. Lui et ses collègues prévoient maintenant d'utiliser ce qu'ils ont appris de cette étude pour optimiser davantage leurs cellules. "Jusqu'à présent, nous n'avons examiné qu'une seule épaisseur pour nos cellules ultrafines et nos résultats nous aideront à déterminer s'il existe une épaisseur différente qui offre un meilleur compromis entre la tolérance aux radiations et l'absorption de la lumière", explique Barthel. "Nous souhaitons également envisager d'empiler plusieurs cellules ultra-minces pour améliorer la puissance de sortie et également essayer différentes combinaisons de matériaux."
