En ny ultratunn fotovoltaisk cell skulle kunna användas som en kraftkälla för satelliter i rymden som upplever höga strålningsnivåer. Utvecklad av forskare från University of Cambridge i Storbritannien använder enheten ett tunt lager galliumarsenid (GaAs) för att absorbera ljus och är mer robust mot protonstrålning än tjockare enheter som studerats tidigare.
Kosmisk strålning är joniserande strålning som består av en blandning av tunga joner och kosmisk strålning (högenergiprotoner, elektroner och atomkärnor). Jordens magnetfält skyddar oss från 99.9 % av denna strålning, och de återstående 0.1 % försvagas avsevärt av vår atmosfär. Rymdfarkoster får dock inget sådant skydd och strålning kan skada eller till och med förstöra deras inbyggda elektronik.
Strålningsinducerade defekter fångar fotoaktiverade laddningsbärare
I solceller introducerar strålningsskador defekter i de solcellsmaterial som bildar cellens ljussamlande skikt. Dessa defekter fångar de fotoaktiverade laddningsbärarna som är ansvariga för att generera ett flöde av elektrisk ström över materialet, vilket minskar strömmen och slutligen sänker cellens uteffekt.
Ju längre de laddade partiklarna måste färdas genom solcellen, desto mer sannolikt är det att de stöter på en defekt och fastnar. Att minska detta färdavstånd innebär därför att en mindre del av partiklarna kommer att fångas av defekter.
Ett sätt att göra detta är att göra solcellerna tunnare. I det nya arbetet har forskare under ledning av Armin Barthel gjorde precis det och tillverkade sina celler från en stapel av halvledande material med ett GaAs-ljusabsorberande skikt bara 80 nm tjockt.
För att testa om denna strategi fungerade, imiterade teamet effekterna av kosmisk strålning genom att bombardera den nya cellen med protoner som genererades vid Dalton Cumbrian Nuclear Facility i Storbritannien. De mätte sedan cellens prestanda med hjälp av en kombination av tidsupplöst katodoluminescens, som mäter omfattningen av strålningsskador, och en enhet känd som en Compact Solar Simulator som avgör hur väl de bombarderade enheterna omvandlar solljus till kraft.
Barthel och kollegor fann att livslängden för laddningsbärare i deras enhet minskade från cirka 198 pikosekunder (10-12 s) förstrålning till cirka 6.2 pikosekunder efteråt. Den faktiska strömmen förblev dock konstant upp till en viss tröskel för protonfluens, bortom vilken den sjönk kraftigt. Forskarna säger att denna droppe korrelerar med den punkt där bärarlivslängden, beräknad från katodoluminescens, blir jämförbar med den tid det tar för bärare att korsa den ultratunna enheten.
Kraftproduktion i krävande rymdmiljöer
"Den huvudsakliga potentiella tillämpningen av enheterna som studeras i detta arbete är för kraftgenerering i krävande rymdmiljöer," säger Barthel. I en studie som beskriver forskningen, som publiceras i Journal of Applied Physics, föreslår forskarna att en sådan miljö kan vara mellanjordsbanor (MEO) som Molniya-banan som passerar genom mitten av jordens protonstrålningsbälte och används för övervakning och kommunikation på höga latituder. När bättre skyddade lågjordsbanor (LEO) blir allt mer röriga, kommer sådana banor att bli viktigare.
Kolnanorör hjälper rymdbunden elektronik att motstå strålningsskador
Banan för Jupiters måne Europa, som är av särskilt vetenskapligt intresse i sökandet efter utomjordiskt liv, är ett annat exempel. Denna måne har en av de mest allvarliga strålningsmiljöerna i solsystemet och att landa en soldriven rymdfarkost där kommer att kräva mycket strålningstoleranta celler.
Även om de nya cellerna främst är designade som en kraftkälla för satelliter, berättar Barthel Fysikvärlden att han "inte utesluter tanken" på att använda dem för att generera kraft i rymden för användning här nere på jorden. Han och hans kollegor planerar nu att använda det de lärt sig från denna studie för att ytterligare optimera sina celler. "Hintills har vi bara tittat på en tjocklek för våra ultratunna celler och våra resultat kommer att hjälpa oss att ta reda på om det finns en annan tjocklek som ger en bättre kompromiss mellan strålningstolerans och ljusabsorption", förklarar Barthel. "Vi är också intresserade av att titta på att stapla flera ultratunna celler för att förbättra effektuttaget och även prova olika materialkombinationer."
