Novo ultratanko fotovoltaično celico bi lahko uporabili kot vir energije za satelite v regijah vesolja, ki so izpostavljene visokim stopnjam sevanja. Naprava, ki so jo razvili raziskovalci z Univerze v Cambridgeu v Združenem kraljestvu, uporablja tanko plast galijevega arzenida (GaAs) za absorbcijo svetlobe in je bolj robustna za protonsko sevanje kot debelejše naprave, ki so jih preučevali prej.
Kozmično sevanje je ionizirajoče sevanje, sestavljeno iz mešanice težkih ionov in kozmičnih žarkov (visokoenergijski protoni, elektroni in atomska jedra). Zemljino magnetno polje nas ščiti pred 99.9 % tega sevanja, preostalih 0.1 % pa močno oslabi naša atmosfera. Vendar vesoljska plovila niso deležna takšne zaščite in sevanje lahko poškoduje ali celo uniči njihovo vgrajeno elektroniko.
Zaradi sevanja povzročene napake ujamejo fotoaktivirane nosilce naboja
V sončnih celicah poškodbe zaradi sevanja povzročijo napake v fotovoltaičnih materialih, ki tvorijo plast celice za zbiranje svetlobe. Te napake ujamejo fotoaktivirane nosilce naboja, ki so odgovorni za ustvarjanje toka električnega toka čez material, kar zmanjša tok in na koncu zmanjša izhodno moč celice.
Dlje kot morajo nabiti delci potovati skozi sončno celico, večja je verjetnost, da bodo naleteli na napako in se ujeli. Zato zmanjšanje te potovalne razdalje pomeni, da bo manjši delež delcev ujet v napake.
Eden od načinov za to je tanjšanje sončnih celic. V novem delu so raziskovalci pod vodstvom Armin Barthel naredili natanko to, saj so izdelali svoje celice iz niza polprevodniških materialov s plastjo GaAs, ki absorbira svetlobo, debelino le 80 nm.
Da bi preizkusili, ali je ta strategija delovala, je ekipa posnemala učinke kozmičnega sevanja tako, da je novo celico obstrelila s protoni, ustvarjenimi v jedrski elektrarni Dalton Cumbrian v Združenem kraljestvu. Nato so izmerili delovanje celice s kombinacijo časovno ločene katodoluminiscence, ki meri obseg poškodb zaradi sevanja, in naprave, znane kot kompaktni sončni simulator, ki določa, kako dobro bombardirane naprave pretvarjajo sončno svetlobo v energijo.
Barthel in sodelavci so ugotovili, da se je življenjska doba nosilcev naboja v njihovi napravi zmanjšala s približno 198 pikosekund (10-12 s) pred sevanjem do približno 6.2 pikosekunde zatem. Vendar je dejanski tok ostal konstanten do določenega praga fluence protonov, nad katerim je močno padel. Raziskovalci pravijo, da je ta padec v korelaciji s točko, ko življenjska doba nosilca, izračunana iz katodoluminiscence, postane primerljiva s časom, ki je potreben, da nosilci prečkajo ultratanko napravo.
Proizvodnja električne energije v zahtevnih vesoljskih okoljih
"Glavna potencialna uporaba naprav, ki jih preučujemo v tem delu, je za proizvodnjo električne energije v zahtevnih vesoljskih okoljih," pravi Barthel. V študiji, ki opisuje raziskavo, ki je objavljena v Revija za uporabno fiziko, raziskovalci predlagajo, da bi lahko bilo eno od takšnih okolij srednjezemeljske orbite (MEO), kot je orbita Molniya, ki poteka skozi središče Zemljinega pasu protonskega sevanja in se uporablja za spremljanje in komunikacije na visokih zemljepisnih širinah. Ker bodo bolje zaščitene nizke zemeljske orbite (LEO) vedno bolj obremenjene, bodo takšne orbite postale pomembnejše.
Ogljikove nanocevke pomagajo vesoljski elektroniki upreti poškodbam zaradi sevanja
Drug primer je orbita Jupitrove lune Evropa, ki je še posebej znanstvenega pomena pri iskanju nezemeljskega življenja. Ta luna ima eno najhujših sevalnih okolij v sončnem sistemu in za pristanek vesoljskega plovila na sončno energijo bodo potrebne celice, ki so zelo odporne na sevanje.
Čeprav so nove celice zasnovane predvsem kot vir energije za satelite, pravi Barthel Svet fizike da "ne izključuje ideje", da bi jih uporabili za ustvarjanje energije v vesolju za uporabo tukaj na Zemlji. On in njegovi kolegi zdaj nameravajo uporabiti tisto, kar so se naučili iz te študije, za nadaljnjo optimizacijo svojih celic. »Doslej smo opazovali le eno debelino naših ultratankih celic in naši rezultati nam bodo pomagali ugotoviti, ali obstaja drugačna debelina, ki daje boljši kompromis med toleranco na sevanje in absorpcijo svetlobe,« pojasnjuje Barthel. "Zanima nas tudi zlaganje več ultratankih celic za izboljšanje izhodne moči in tudi preizkušanje različnih kombinacij materialov."
