Nowe ultracienkie ogniwo fotowoltaiczne mogłoby posłużyć jako źródło energii dla satelitów w regionach kosmosu, w których występują wysokie poziomy promieniowania. Urządzenie, opracowane przez naukowców z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, wykorzystuje cienką warstwę arsenku galu (GaAs) do pochłaniania światła i jest bardziej odporne na promieniowanie protonowe niż grubsze urządzenia badane wcześniej.
Promieniowanie kosmiczne to promieniowanie jonizujące składające się z mieszaniny ciężkich jonów i promieni kosmicznych (wysokoenergetyczne protony, elektrony i jądra atomowe). Ziemskie pole magnetyczne chroni nas przed 99.9% tego promieniowania, a pozostałe 0.1% jest znacznie osłabiane przez naszą atmosferę. Statki kosmiczne nie mają jednak takiej ochrony, a promieniowanie może uszkodzić, a nawet zniszczyć elektronikę pokładową.
Defekty wywołane promieniowaniem wychwytują fotoaktywowane nośniki ładunku
W ogniwach słonecznych uszkodzenie spowodowane promieniowaniem wprowadza defekty do materiałów fotowoltaicznych, które tworzą warstwę zbierającą światło w ogniwie. Defekty te zatrzymują fotoaktywowane nośniki ładunku odpowiedzialne za generowanie przepływu prądu elektrycznego przez materiał, zmniejszając prąd i ostatecznie obniżając moc wyjściową ogniwa.
Im dalej naładowane cząstki muszą podróżować przez ogniwo słoneczne, tym bardziej prawdopodobne jest, że napotkają defekt i zostaną uwięzione. Dlatego zmniejszenie tej odległości oznacza, że mniejsza część cząstek zostanie uwięziona przez defekty.
Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest zmniejszenie grubości ogniw słonecznych. W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Armina Bartela zrobili dokładnie to, wytwarzając swoje ogniwa ze stosu materiałów półprzewodnikowych z warstwą pochłaniającą światło GaAs o grubości zaledwie 80 nm.
Aby sprawdzić, czy ta strategia zadziałała, zespół naśladował skutki promieniowania kosmicznego, bombardując nową komórkę protonami generowanymi w ośrodku jądrowym Dalton Cumbrian Nuclear Facility w Wielkiej Brytanii. Następnie zmierzyli wydajność ogniwa za pomocą kombinacji katodoluminescencji rozdzielczej w czasie, która mierzy stopień uszkodzenia promieniowania, oraz urządzenia znanego jako Compact Solar Simulator, które określa, jak dobrze bombardowane urządzenia przekształcają światło słoneczne w energię.
Barthel i współpracownicy odkryli, że czas życia nośników ładunku w ich urządzeniu zmniejszył się z około 198 pikosekund (10-12 s) przed promieniowaniem do około 6.2 pikosekund później. Jednak rzeczywisty prąd pozostawał stały do pewnego progu fluencji protonów, po przekroczeniu którego gwałtownie spadał. Naukowcy twierdzą, że spadek ten koreluje z punktem, w którym czas życia nośnika, obliczony na podstawie katodoluminescencji, staje się porównywalny z czasem potrzebnym nośnikom na przejście przez ultracienkie urządzenie.
Wytwarzanie energii w wymagających środowiskach kosmicznych
„Głównym potencjalnym zastosowaniem urządzeń badanych w tej pracy jest wytwarzanie energii w wymagających środowiskach kosmicznych”, mówi Barthel. W opracowaniu opisującym badania, które opublikowano w Dziennik Fizyki Stosowanej, naukowcy sugerują, że jednym z takich środowisk mogą być orbity Śródziemia (MEO), takie jak orbita Molniya, która przechodzi przez środek ziemskiego pasa promieniowania protonowego i jest wykorzystywana do monitorowania i komunikacji na dużych szerokościach geograficznych. Ponieważ lepiej chronione niskie orbity okołoziemskie (LEO) stają się coraz bardziej zagracone, takie orbity staną się ważniejsze.
Nanorurki węglowe pomagają elektronice znajdującej się w kosmosie zapobiegać uszkodzeniom spowodowanym promieniowaniem
Innym przykładem jest orbita księżyca Jowisza, Europa, która jest przedmiotem szczególnego zainteresowania naukowego w poszukiwaniu życia pozaziemskiego. Ten księżyc ma jedno z najcięższych środowisk promieniowania w Układzie Słonecznym, a lądowanie tam statku kosmicznego zasilanego energią słoneczną będzie wymagało ogniw o wysokiej tolerancji na promieniowanie.
Chociaż nowe ogniwa są przede wszystkim zaprojektowane jako źródło zasilania dla satelitów, mówi Barthel Świat Fizyki że „nie wyklucza pomysłu” wykorzystania ich do generowania energii w kosmosie do użytku tutaj na Ziemi. On i jego koledzy planują teraz wykorzystać to, czego nauczyli się z tego badania, do dalszej optymalizacji swoich komórek. „Jak dotąd przyjrzeliśmy się tylko jednej grubości naszych ultracienkich komórek, a nasze wyniki pomogą nam ustalić, czy istnieje inna grubość, która zapewnia lepszy kompromis między tolerancją promieniowania a absorpcją światła” — wyjaśnia Barthel. „Jesteśmy również zainteresowani ułożeniem wielu ultracienkich ogniw w celu poprawy mocy wyjściowej, a także wypróbowaniem różnych kombinacji materiałów”.
