O nouă celulă fotovoltaică ultrasubțire ar putea fi folosită ca sursă de energie pentru sateliți în regiunile spațiului care experimentează niveluri ridicate de radiații. Dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie, dispozitivul folosește un strat subțire de arseniură de galiu (GaAs) pentru a absorbi lumina și este mai robust la radiația protonică decât dispozitivele mai groase studiate anterior.
Radiația cosmică este radiația ionizantă formată dintr-un amestec de ioni grei și raze cosmice (protoni de înaltă energie, electroni și nuclee atomice). Câmpul magnetic al Pământului ne protejează de 99.9% din această radiație, iar restul de 0.1% este atenuat semnificativ de atmosfera noastră. Cu toate acestea, navele spațiale nu primesc o astfel de protecție, iar radiațiile le pot deteriora sau chiar distruge electronicele de la bord.
Defectele induse de radiații captează purtătorii de sarcină fotoactivați
În celulele solare, deteriorarea radiațiilor introduce defecte în materialele fotovoltaice care formează stratul de colectare a luminii al celulei. Aceste defecte prinde purtătorii de sarcină fotoactivați responsabili de generarea unui flux de curent electric prin material, reducând curentul și în cele din urmă scăzând puterea de ieșire a celulei.
Cu cât particulele încărcate trebuie să călătorească mai departe prin celula solară, cu atât este mai probabil ca acestea să întâmpine un defect și să fie prinse. Prin urmare, reducerea acestei distanțe de călătorie înseamnă că o fracțiune mai mică a particulelor va fi prinsă de defecte.
O modalitate de a face acest lucru este de a face celulele solare mai subțiri. În noua lucrare, cercetătorii conduși de Armin Barthel au făcut exact asta, fabricându-și celulele dintr-un teanc de materiale semiconductoare cu un strat de absorbție a luminii GaAs de doar 80 nm grosime.
Pentru a testa dacă această strategie a funcționat, echipa a imitat efectele radiațiilor cosmice bombardând noua celulă cu protoni generați la instalația nucleară Dalton Cumbrian din Marea Britanie. Apoi au măsurat performanța celulei folosind o combinație de catodoluminiscență rezolvată în timp, care măsoară amploarea daunelor radiațiilor și un dispozitiv cunoscut sub numele de Compact Solar Simulator care determină cât de bine dispozitivele bombardate convertesc lumina solară în energie.
Barthel și colegii săi au descoperit că durata de viață a purtătorilor de încărcare din dispozitivul lor a scăzut de la aproximativ 198 de picosecunde (10-12 s) preradiere la aproximativ 6.2 picosecunde după aceea. Cu toate acestea, curentul real a rămas constant până la un anumit prag de influență a protonilor, dincolo de care a scăzut brusc. Cercetătorii spun că această scădere se corelează cu punctul în care durata de viață a purtătorului, calculată din catodoluminiscență, devine comparabilă cu timpul necesar purtătorilor pentru a traversa dispozitivul ultrasubțire.
Generarea de energie în medii spațiale solicitante
„Principala aplicație potențială a dispozitivelor studiate în această lucrare este pentru generarea de energie în medii spațiale solicitante”, spune Barthel. Într-un studiu care descrie cercetarea, care este publicat în Jurnalul de Fizică Aplicată, cercetătorii sugerează că un astfel de mediu ar putea fi orbitele Pământului de mijloc (MEO), cum ar fi orbita Molniya, care trece prin centrul centurii de radiații cu protoni a Pământului și este folosită pentru monitorizare și comunicații la latitudini înalte. Pe măsură ce orbitele Pământului joase (LEO) mai bine protejate devin din ce în ce mai aglomerate, astfel de orbite vor deveni mai importante.
Nanotuburile de carbon ajută electronicele din spațiu să reziste la deteriorarea radiațiilor
Orbita lunii Europa a lui Jupiter, care prezintă un interes științific deosebit în căutarea vieții extraterestre, este un alt exemplu. Această lună are unul dintre cele mai severe medii de radiații din sistemul solar și aterizarea unei nave spațiale alimentată cu energie solară va necesita celule foarte tolerante la radiații.
Deși noile celule sunt concepute în primul rând ca o sursă de energie pentru sateliți, spune Barthel Lumea fizicii că el „nu exclude ideea” de a le folosi pentru a genera energie în spațiu pentru a fi folosită aici, pe Pământ. El și colegii săi intenționează acum să folosească ceea ce au învățat din acest studiu pentru a-și optimiza și mai mult celulele. „Până acum, ne-am uitat doar la o singură grosime pentru celulele noastre ultrasubțiri, iar rezultatele noastre ne vor ajuta să ne dăm seama dacă există o grosime diferită care oferă un compromis mai bun între toleranța la radiații și absorbția luminii”, explică Barthel. „Suntem, de asemenea, interesați să ne uităm la stivuirea mai multor celule ultrasubțiri pentru a îmbunătăți puterea de ieșire și, de asemenea, să încercăm diferite combinații de materiale.”
