Uma nova célula fotovoltaica ultrafina pode ser usada como fonte de energia para satélites em regiões do espaço com altos níveis de radiação. Desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, o dispositivo utiliza uma fina camada de arsenieto de gálio (GaAs) para absorver a luz e é mais resistente à radiação de prótons do que dispositivos mais espessos estudados anteriormente.
A radiação cósmica é uma radiação ionizante composta por uma mistura de íons pesados e raios cósmicos (prótons de alta energia, elétrons e núcleos atômicos). O campo magnético da Terra nos protege de 99.9% dessa radiação, e o 0.1% restante é significativamente atenuado por nossa atmosfera. No entanto, as espaçonaves não recebem essa proteção e a radiação pode danificar ou até mesmo destruir seus componentes eletrônicos a bordo.
Defeitos induzidos por radiação aprisionam portadores de carga fotoativados
Nas células solares, os danos causados pela radiação introduzem defeitos nos materiais fotovoltaicos que formam a camada coletora de luz da célula. Esses defeitos prendem os portadores de carga fotoativados responsáveis por gerar um fluxo de corrente elétrica através do material, reduzindo a corrente e, finalmente, diminuindo a saída de energia da célula.
Quanto mais longe as partículas carregadas devem viajar através da célula solar, mais provável é que encontrem um defeito e fiquem presas. Portanto, reduzir essa distância de viagem significa que uma fração menor das partículas ficará presa por defeitos.
Uma maneira de fazer isso é tornar as células solares mais finas. No novo trabalho, pesquisadores liderados por Armin Barthel fizeram exatamente isso, fabricando suas células a partir de uma pilha de materiais semicondutores com uma camada absorvedora de luz GaAs com apenas 80 nm de espessura.
Para testar se essa estratégia funcionou, a equipe imitou os efeitos da radiação cósmica bombardeando a nova célula com prótons gerados na Dalton Cumbrian Nuclear Facility, no Reino Unido. Eles então mediram o desempenho da célula usando uma combinação de catodoluminescência resolvida no tempo, que mede a extensão dos danos causados pela radiação, e um dispositivo conhecido como Compact Solar Simulator, que determina o quão bem os dispositivos bombardeados convertem a luz solar em energia.
Barthel e seus colegas descobriram que o tempo de vida dos portadores de carga em seu dispositivo diminuiu de cerca de 198 picossegundos (10-12 s) pré-radiação para cerca de 6.2 picossegundos depois. No entanto, a corrente real permaneceu constante até um certo limite de fluência de prótons, além do qual caiu drasticamente. Os pesquisadores dizem que essa queda se correlaciona com o ponto em que o tempo de vida do portador, calculado a partir da luminescência catódica, torna-se comparável ao tempo que leva para os portadores atravessarem o dispositivo ultrafino.
Geração de energia em ambientes espaciais exigentes
“O principal potencial de aplicação dos dispositivos estudados neste trabalho é para geração de energia em ambientes espaciais exigentes”, diz Barthel. Em um estudo que descreve a pesquisa, publicado na Revista de Física Aplicada, os pesquisadores sugerem que um desses ambientes pode ser as órbitas da Terra média (MEOs), como a órbita de Molniya, que passa pelo centro do cinturão de radiação de prótons da Terra e é usada para monitoramento e comunicações em altas latitudes. À medida que as órbitas baixas da Terra (LEOs) mais bem protegidas se tornam cada vez mais confusas, essas órbitas se tornam mais importantes.
Os nanotubos de carbono ajudam a eletrônica espacial a resistir aos danos da radiação
A órbita da lua de Júpiter, Europa, que é de particular interesse científico na busca por vida extraterrestre, é outro exemplo. Esta lua tem um dos ambientes de radiação mais severos do sistema solar e o pouso de uma espaçonave movida a energia solar exigirá células altamente tolerantes à radiação.
Embora as novas células sejam projetadas principalmente como fonte de energia para satélites, Barthel conta Mundo da física que ele “não descarta a ideia” de usá-los para gerar energia no espaço para uso aqui na Terra. Ele e seus colegas agora planejam usar o que aprenderam com este estudo para otimizar ainda mais suas células. “Até agora, analisamos apenas uma espessura para nossas células ultrafinas e nossos resultados nos ajudarão a descobrir se existe uma espessura diferente que ofereça um melhor compromisso entre tolerância à radiação e absorção de luz”, explica Barthel. “Também estamos interessados em empilhar várias células ultrafinas para melhorar a produção de energia e também tentar diferentes combinações de materiais”.
