Новый ультратонкий фотоэлектрический элемент может быть использован в качестве источника питания для спутников в областях космоса с высоким уровнем радиации. Разработанное исследователями из Кембриджского университета в Великобритании, устройство использует тонкий слой арсенида галлия (GaAs) для поглощения света и более устойчиво к протонному излучению, чем более толстые устройства, изученные ранее.
Космическое излучение — это ионизирующее излучение, состоящее из смеси тяжелых ионов и космических лучей (высокоэнергетических протонов, электронов и атомных ядер). Магнитное поле Земли защищает нас от 99.9% этого излучения, а остальные 0.1% значительно ослабляются нашей атмосферой. Однако космические корабли не имеют такой защиты, и радиация может повредить или даже разрушить их бортовую электронику.
Радиационные дефекты захватывают фотоактивированные носители заряда
В солнечных элементах радиационное повреждение приводит к появлению дефектов в фотогальванических материалах, образующих светособирающий слой элемента. Эти дефекты улавливают фотоактивированные носители заряда, ответственные за генерацию потока электрического тока через материал, уменьшая ток и, в конечном итоге, снижая выходную мощность элемента.
Чем дальше заряженные частицы должны пройти через солнечный элемент, тем больше вероятность того, что они столкнутся с дефектом и попадут в ловушку. Следовательно, уменьшение этого расстояния перемещения означает, что меньшая часть частиц будет захвачена дефектами.
Один из способов сделать это — сделать солнечные элементы тоньше. В новой работе исследователи под руководством Армин Бартель сделали именно это, изготовив свои ячейки из пакета полупроводниковых материалов со светопоглощающим слоем GaAs толщиной всего 80 нм.
Чтобы проверить, сработала ли эта стратегия, команда имитировала эффекты космического излучения, бомбардируя новую клетку протонами, генерируемыми на ядерной установке Далтона в Камбрии в Великобритании. Затем они измерили производительность элемента, используя комбинацию катодолюминесценции с временным разрешением, которая измеряет степень радиационного повреждения, и устройства, известного как компактный солнечный симулятор, который определяет, насколько хорошо бомбардируемые устройства преобразуют солнечный свет в энергию.
Бартель и его коллеги обнаружили, что время жизни носителей заряда в их устройстве уменьшилось примерно со 198 пикосекунд (10-12 s) предварительное излучение примерно до 6.2 пикосекунд после. Однако реальный ток оставался постоянным до определенного порога флюенса протонов, после которого он резко падал. Исследователи говорят, что это падение коррелирует с точкой, в которой время жизни носителей, рассчитанное по катодолюминесценции, становится сравнимым со временем, которое требуется носителям для пересечения сверхтонкого устройства.
Производство электроэнергии в сложных космических условиях
«Основное потенциальное применение устройств, изученных в этой работе, — это выработка электроэнергии в сложных космических условиях», — говорит Бартель. В исследовании, описывающем исследование, которое опубликовано в Журнал прикладной физикиИсследователи предполагают, что одной из таких сред могут быть средние околоземные орбиты (MEO), такие как орбита «Молния», которая проходит через центр протонного радиационного пояса Земли и используется для мониторинга и связи в высоких широтах. По мере того, как лучше защищенные низкие околоземные орбиты (НОО) становятся все более загроможденными, такие орбиты будут приобретать все большее значение.
Углеродные нанотрубки помогают космической электронике противостоять радиационным повреждениям
Другим примером является орбита спутника Юпитера Европы, которая представляет особый научный интерес для поиска внеземной жизни. У этой луны одна из самых суровых радиационных сред в Солнечной системе, и для посадки там космического корабля на солнечной энергии потребуются высокоустойчивые к радиации элементы.
Хотя новые ячейки в первую очередь предназначены для питания спутников, говорит Бартель. Мир физики что он «не исключает идеи» использования их для выработки энергии в космосе для использования здесь, на Земле. Теперь он и его коллеги планируют использовать то, что они узнали из этого исследования, для дальнейшей оптимизации своих клеток. «До сих пор мы рассматривали только одну толщину для наших ультратонких ячеек, и наши результаты помогут нам выяснить, существует ли другая толщина, обеспечивающая лучший компромисс между устойчивостью к излучению и поглощением света», — объясняет Бартел. «Мы также заинтересованы в том, чтобы сложить несколько ультратонких ячеек для повышения выходной мощности, а также попробовать различные комбинации материалов».
