新しい超薄型太陽電池は、高レベルの放射線を経験する宇宙領域で人工衛星の電源として使用できます。 英国のケンブリッジ大学の研究者によって開発されたこのデバイスは、ガリウム砒素 (GaAs) の薄い層を使用して光を吸収し、以前に研究されたより厚いデバイスよりも陽子線に対してより堅牢です。
宇宙放射線は、重イオンと宇宙線（高エネルギーの陽子、電子、原子核）の混合物からなる電離放射線です。 地球の磁場は、この放射線の 99.9% から私たちを守っており、残りの 0.1% は大気によって大幅に減衰されています。 しかし、宇宙船はそのような保護を受けておらず、放射線は搭載された電子機器に損傷を与えたり、破壊したりする可能性さえあります.
放射線誘起欠陥が光活性化電荷キャリアをトラップ
太陽電池では、放射線損傷により、セルの集光層を形成する光起電力材料に欠陥が導入されます。 これらの欠陥は、材料全体に電流の流れを生成する原因となる光活性化電荷キャリアをトラップし、電流を減少させ、最終的にセルの出力を低下させます。
荷電粒子が太陽電池内を移動する距離が長くなるほど、欠陥に遭遇して捕捉される可能性が高くなります。 したがって、この移動距離を減らすことは、欠陥によってトラップされる粒子の割合が少なくなることを意味します。
これを行うXNUMXつの方法は、太陽電池を薄くすることです。 新作では、 アーミン・バーテル 厚さわずか 80 nm の GaAs 光吸収層を備えた半導体材料のスタックからセルを製造し、まさにそれを行いました。
この戦略が機能するかどうかをテストするために、チームは、英国のダルトン カンブリア核施設で生成された陽子を新しいセルに衝突させることによって、宇宙放射線の影響を模倣しました。 次に、放射線損傷の程度を測定する時間分解カソードルミネッセンスと、衝撃を受けたデバイスが太陽光を電力に変換する程度を決定するコンパクトソーラーシミュレータとして知られるデバイスを組み合わせて使用して、セルの性能を測定しました。
Barthel と同僚は、デバイス内の電荷キャリアの寿命が約 198 ピコ秒 (10-12 s) その後約 6.2 ピコ秒までの事前放射。 しかし、実際の電流は、陽子フルエンスの特定のしきい値まで一定のままであり、それを超えると急激に低下しました。 研究者は、この低下は、カソードルミネッセンスから計算されたキャリア寿命が、キャリアが極薄デバイスを通過するのにかかる時間に匹敵するようになる点と相関していると述べています。
厳しい宇宙環境での発電
「この研究で研究されたデバイスの主な潜在的な用途は、要求の厳しい宇宙環境での発電です」と Barthel 氏は言います。 で発表された研究を説明する研究では、 応用物理ジャーナル、研究者たちは、そのような環境のXNUMXつは、地球の陽子放射帯の中心を通過し、高緯度での監視と通信に使用されるモルニヤ軌道などの中地球軌道（MEO）である可能性があることを示唆しています。 より適切に保護された地球低軌道 (LEO) がこれまで以上に乱雑になるにつれて、そのような軌道はより重要になります。
カーボンナノチューブは、宇宙に縛られた電子機器が放射線による損傷に抵抗するのを助けます
木星の衛星エウロパの軌道は、地球外生命の探索において特に科学的に興味深いものであり、別の例です。 この月は、太陽系で最も厳しい放射線環境の XNUMX つであり、太陽光発電の宇宙船を着陸させるには、放射線耐性の高いセルが必要です。
新しいセルは主に衛星の電源として設計されていますが、バーセル氏は次のように述べています。 物理学の世界 彼は、それらを使用して宇宙で電力を生成し、ここ地球で使用するという「考えを排除しない」. 彼と彼の同僚は現在、この研究から学んだことを利用して、細胞をさらに最適化することを計画しています。 「これまでのところ、極薄セルの厚さは XNUMX つしか見ていません。この結果は、放射線耐性と光吸収の間でより良い妥協点を与える別の厚さがあるかどうかを判断するのに役立ちます」と Barthel 氏は説明します。 「また、複数の超薄型セルを積み重ねて出力を向上させたり、さまざまな材料の組み合わせを試したりすることにも関心があります。」
