Een nieuwe ultradunne fotovoltaïsche cel zou kunnen worden gebruikt als energiebron voor satellieten in gebieden in de ruimte die te maken hebben met hoge stralingsniveaus. Het apparaat, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in het VK, gebruikt een dunne laag galliumarsenide (GaAs) om licht te absorberen en is beter bestand tegen protonenstraling dan eerder bestudeerde dikkere apparaten.
Kosmische straling is ioniserende straling die bestaat uit een mengsel van zware ionen en kosmische straling (hoogenergetische protonen, elektronen en atoomkernen). Het magnetische veld van de aarde beschermt ons tegen 99.9% van deze straling en de resterende 0.1% wordt aanzienlijk verzwakt door onze atmosfeer. Ruimtevaartuigen krijgen echter geen dergelijke bescherming en straling kan hun elektronica aan boord beschadigen of zelfs vernietigen.
Door straling veroorzaakte defecten vangen foto-geactiveerde ladingsdragers op
In zonnecellen veroorzaakt stralingsschade defecten in de fotovoltaïsche materialen die de lichtopvanglaag van de cel vormen. Deze defecten vangen de foto-geactiveerde ladingsdragers op die verantwoordelijk zijn voor het genereren van een elektrische stroom door het materiaal, waardoor de stroom wordt verminderd en uiteindelijk het vermogen van de cel wordt verlaagd.
Hoe verder de geladen deeltjes door de zonnecel moeten reizen, hoe groter de kans dat ze een defect tegenkomen en vast komen te zitten. Het verkleinen van deze reisafstand betekent dus dat een kleiner deel van de deeltjes vast komt te zitten door defecten.
Een manier om dit te doen is door de zonnecellen dunner te maken. In het nieuwe werk leiden onderzoekers onder leiding van Armin Barthel deed precies dat door hun cellen te vervaardigen uit een stapel halfgeleidende materialen met een GaAs-lichtabsorberende laag van slechts 80 nm dik.
Om te testen of deze strategie werkte, imiteerde het team de effecten van kosmische straling door de nieuwe cel te bombarderen met protonen die waren gegenereerd in de Dalton Cumbrian Nuclear Facility in het VK. Vervolgens maten ze de prestaties van de cel met behulp van een combinatie van in de tijd opgeloste kathodoluminescentie, die de omvang van stralingsschade meet, en een apparaat dat bekend staat als een Compact Solar Simulator en dat bepaalt hoe goed de gebombardeerde apparaten zonlicht omzetten in stroom.
Barthel en collega's ontdekten dat de levensduur van ladingsdragers in hun apparaat afnam van ongeveer 198 picoseconden (10-12 s) pre-straling tot ongeveer 6.2 picoseconden daarna. De werkelijke stroom bleef echter constant tot een bepaalde drempel van protonenfluentie, waarboven hij scherp daalde. De onderzoekers zeggen dat deze daling correleert met het punt waarop de levensduur van de drager, berekend op basis van kathodoluminescentie, vergelijkbaar wordt met de tijd die dragers nodig hebben om het ultradunne apparaat te passeren.
Energieopwekking in veeleisende ruimtevaartomgevingen
"De belangrijkste potentiële toepassing van de apparaten die in dit werk zijn bestudeerd, is voor energieopwekking in veeleisende ruimteomgevingen", zegt Barthel. In een studie die het onderzoek beschrijft, dat is gepubliceerd in Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde, suggereren de onderzoekers dat een van die omgevingen midden-aarde-banen (MEO's) kan zijn, zoals de Molniya-baan die door het centrum van de protonenstralingsgordel van de aarde gaat en wordt gebruikt voor monitoring en communicatie op hoge breedtegraden. Naarmate beter beschermde lage-aarde-banen (LEO's) steeds rommeliger worden, zullen dergelijke banen belangrijker worden.
Koolstofnanobuisjes helpen ruimtegebonden elektronica om stralingsschade te weerstaan
De baan van Jupiters maan Europa, die van bijzonder wetenschappelijk belang is bij het zoeken naar buitenaards leven, is een ander voorbeeld. Deze maan heeft een van de zwaarste stralingsomgevingen in het zonnestelsel en het landen van een ruimtevaartuig op zonne-energie daar vereist zeer stralingstolerante cellen.
Hoewel de nieuwe cellen in de eerste plaats bedoeld zijn als energiebron voor satellieten, vertelt Barthel Natuurkunde wereld dat hij "het idee niet uitsluit" om ze te gebruiken om energie in de ruimte op te wekken voor gebruik hier op aarde. Hij en zijn collega's zijn nu van plan om wat ze uit deze studie hebben geleerd te gebruiken om hun cellen verder te optimaliseren. "Tot nu toe hebben we slechts gekeken naar één dikte voor onze ultradunne cellen en onze resultaten zullen ons helpen erachter te komen of er een andere dikte is die een beter compromis biedt tussen stralingstolerantie en lichtabsorptie", legt Barthel uit. "We zijn ook geïnteresseerd in het stapelen van meerdere ultradunne cellen om het vermogen te verbeteren en ook om verschillende materiaalcombinaties uit te proberen."
