Una nuova cella fotovoltaica ultrasottile potrebbe essere utilizzata come fonte di energia per i satelliti nelle regioni dello spazio che presentano alti livelli di radiazioni. Sviluppato dai ricercatori dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, il dispositivo utilizza un sottile strato di arseniuro di gallio (GaAs) per assorbire la luce ed è più resistente alla radiazione protonica rispetto ai dispositivi più spessi studiati in precedenza.
La radiazione cosmica è una radiazione ionizzante costituita da una miscela di ioni pesanti e raggi cosmici (protoni ad alta energia, elettroni e nuclei atomici). Il campo magnetico terrestre ci protegge dal 99.9% di queste radiazioni e il restante 0.1% è notevolmente attenuato dalla nostra atmosfera. Tuttavia, i veicoli spaziali non ricevono tale protezione e le radiazioni possono danneggiare o addirittura distruggere la loro elettronica di bordo.
I difetti indotti dalle radiazioni intrappolano i portatori di carica fotoattivati
Nelle celle solari, i danni da radiazioni introducono difetti nei materiali fotovoltaici che formano lo strato di raccolta della luce della cella. Questi difetti intrappolano i portatori di carica fotoattivati responsabili della generazione di un flusso di corrente elettrica attraverso il materiale, riducendo la corrente e infine abbassando la potenza della cella.
Più le particelle cariche devono viaggiare attraverso la cella solare, più è probabile che incontrino un difetto e restino intrappolate. Quindi, ridurre questa distanza di viaggio significa che una frazione minore delle particelle rimarrà intrappolata dai difetti.
Un modo per farlo è rendere le celle solari più sottili. Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Armin Barthel ha fatto esattamente questo, fabbricando le loro celle da una pila di materiali semiconduttori con uno strato di GaAs che assorbe la luce di soli 80 nm di spessore.
Per verificare se questa strategia ha funzionato, il team ha imitato gli effetti delle radiazioni cosmiche bombardando la nuova cellula con protoni generati presso la Dalton Cumbrian Nuclear Facility nel Regno Unito. Hanno quindi misurato le prestazioni della cella utilizzando una combinazione di catodoluminescenza risolta nel tempo, che misura l'entità del danno da radiazioni, e un dispositivo noto come Compact Solar Simulator che determina quanto bene i dispositivi bombardati convertono la luce solare in energia.
Barthel e colleghi hanno scoperto che la durata dei portatori di carica nel loro dispositivo è diminuita da circa 198 picosecondi (10 all'12 ottobre s) pre-radiazione a circa 6.2 picosecondi successivi. Tuttavia, la corrente effettiva è rimasta costante fino a una certa soglia di fluenza protonica, oltre la quale è diminuita bruscamente. I ricercatori affermano che questo calo è correlato al punto in cui la durata del portatore, calcolata dalla catodoluminescenza, diventa paragonabile al tempo impiegato dai portatori per attraversare il dispositivo ultrasottile.
Generazione di energia in ambienti spaziali esigenti
"La principale applicazione potenziale dei dispositivi studiati in questo lavoro è per la generazione di energia in ambienti spaziali esigenti", afferma Barthel. In uno studio che descrive la ricerca, pubblicato in Journal of Applied Physics, i ricercatori suggeriscono che uno di questi ambienti potrebbe essere l'orbita terrestre media (MEO) come l'orbita di Molniya che passa attraverso il centro della cintura di radiazione protonica terrestre ed è utilizzata per il monitoraggio e le comunicazioni ad alte latitudini. Man mano che le orbite terrestri basse (LEO) meglio protette diventano sempre più disordinate, tali orbite diventeranno più importanti.
I nanotubi di carbonio aiutano l'elettronica legata allo spazio a resistere ai danni delle radiazioni
L'orbita della luna di Giove Europa, che è di particolare interesse scientifico nella ricerca della vita extraterrestre, ne è un altro esempio. Questa luna ha uno degli ambienti di radiazioni più severi nel sistema solare e l'atterraggio di un veicolo spaziale a energia solare richiederà celle altamente resistenti alle radiazioni.
Sebbene le nuove celle siano progettate principalmente come fonte di energia per i satelliti, dice Barthel Mondo della fisica che "non esclude l'idea" di usarli per generare energia nello spazio da utilizzare quaggiù sulla Terra. Lui ei suoi colleghi ora intendono utilizzare ciò che hanno appreso da questo studio per ottimizzare ulteriormente le loro cellule. «Finora, abbiamo esaminato solo uno spessore per le nostre celle ultrasottili e i nostri risultati ci aiuteranno a capire se esiste uno spessore diverso che offre un miglior compromesso tra tolleranza alle radiazioni e assorbimento della luce», spiega Barthel. "Siamo anche interessati a esaminare l'impilamento di più celle ultrasottili per migliorare la potenza e provare anche diverse combinazioni di materiali".
