En ny ultratynn fotovoltaisk celle kan brukes som en strømkilde for satellitter i områder av verdensrommet som opplever høye nivåer av stråling. Utviklet av forskere fra University of Cambridge i Storbritannia, bruker enheten et tynt lag galliumarsenid (GaAs) for å absorbere lys og er mer robust mot protonstråling enn tykkere enheter som er studert tidligere.
Kosmisk stråling er ioniserende stråling som består av en blanding av tunge ioner og kosmiske stråler (høyenergiske protoner, elektroner og atomkjerner). Jordens magnetfelt beskytter oss mot 99.9 % av denne strålingen, og de resterende 0.1 % er betydelig svekket av atmosfæren vår. Romfartøyer mottar imidlertid ingen slik beskyttelse, og stråling kan skade eller til og med ødelegge elektronikken ombord.
Strålingsinduserte defekter fanger fotoaktiverte ladningsbærere
I solceller introduserer strålingsskader defekter i de solcellematerialene som danner cellens lyssamlende lag. Disse defektene fanger de fotoaktiverte ladningsbærerne som er ansvarlige for å generere en strøm av elektrisk strøm over materialet, redusere strømmen og til slutt senke utgangseffekten til cellen.
Jo lenger de ladede partiklene må reise gjennom solcellen, jo mer sannsynlig er det at de møter en defekt og blir fanget. Redusering av denne reiseavstanden betyr derfor at en mindre del av partiklene vil bli fanget av defekter.
En måte å gjøre dette på er å gjøre solcellene tynnere. I det nye arbeidet har forskere ledet av Armin Barthel gjorde akkurat det, og produserte cellene sine fra en stabel med halvledende materialer med et GaAs-lysabsorberende lag bare 80 nm tykt.
For å teste om denne strategien fungerte, imiterte teamet effekten av kosmisk stråling ved å bombardere den nye cellen med protoner generert ved Dalton Cumbrian Nuclear Facility i Storbritannia. De målte deretter cellens ytelse ved å bruke en kombinasjon av tidsoppløst katodoluminescens, som måler omfanget av strålingsskade, og en enhet kjent som en Compact Solar Simulator som bestemmer hvor godt de bombarderte enhetene konverterer sollys til strøm.
Barthel og kollegene fant at levetiden til ladebærere i enheten deres gikk ned fra rundt 198 pikosekunder (10-12 s) forbestråling til rundt 6.2 pikosekunder etterpå. Imidlertid forble den faktiske strømmen konstant opp til en viss terskel for protonfluens, utover som den falt kraftig. Forskerne sier at dette fallet korrelerer med punktet der bærerens levetid, beregnet fra katodoluminescens, blir sammenlignbar med tiden det tar for bærere å krysse den ultratynne enheten.
Kraftproduksjon i krevende rommiljøer
"Den viktigste potensielle anvendelsen av enhetene som er studert i dette arbeidet er for kraftproduksjon i krevende rommiljøer," sier Barthel. I en studie som beskriver forskningen, som er publisert i Journal of Applied Physics, foreslår forskerne at et slikt miljø kan være mellomjordbaner (MEOs) som Molniya-banen som passerer gjennom midten av jordens protonstrålingsbelte og brukes til overvåking og kommunikasjon på høye breddegrader. Etter hvert som bedre beskyttede lav-jordbaner (LEO) blir stadig mer rotete, vil slike baner bli viktigere.
Karbon nanorør hjelper rombundet elektronikk motstå strålingsskader
Banen til Jupiters måne Europa, som er av spesiell vitenskapelig interesse i jakten på utenomjordisk liv, er et annet eksempel. Denne månen har et av de mest alvorlige strålingsmiljøene i solsystemet og landing av et solcelledrevet romfartøy der vil kreve svært strålingstolerante celler.
Selv om de nye cellene først og fremst er designet som en strømkilde for satellitter, forteller Barthel Fysikkens verden at han «ikke utelukker ideen» om å bruke dem til å generere kraft i verdensrommet for bruk her nede på jorden. Han og kollegene planlegger nå å bruke det de lærte fra denne studien for å optimalisere cellene sine ytterligere. "Så langt har vi bare sett på én tykkelse for våre ultratynne celler, og resultatene våre vil hjelpe oss å finne ut om det er en annen tykkelse som gir et bedre kompromiss mellom strålingstoleranse og lysabsorpsjon," forklarer Barthel. "Vi er også interessert i å se på å stable flere ultratynne celler for å forbedre kraftuttaket og også prøve forskjellige materialkombinasjoner."
