Yeni bir ultra ince fotovoltaik hücre, yüksek düzeyde radyasyona maruz kalan uzay bölgelerindeki uydular için bir güç kaynağı olarak kullanılabilir. İngiltere'deki Cambridge Üniversitesi'nden araştırmacılar tarafından geliştirilen cihaz, ışığı emmek için ince bir galyum arsenit (GaAs) tabakası kullanıyor ve daha önce incelenen daha kalın cihazlara göre proton radyasyonuna karşı daha dayanıklı.
Kozmik radyasyon, ağır iyonlar ve kozmik ışınların (yüksek enerjili protonlar, elektronlar ve atom çekirdeği) karışımından oluşan iyonlaştırıcı radyasyondur. Dünyanın manyetik alanı bizi bu radyasyonun %99.9'undan korur ve geri kalan %0.1'lik kısım atmosferimiz tarafından önemli ölçüde zayıflatılır. Bununla birlikte, uzay aracı böyle bir koruma almaz ve radyasyon, yerleşik elektroniklerine zarar verebilir ve hatta yok edebilir.
Radyasyona bağlı kusurlar, fotoaktif yük taşıyıcıları yakalar
Güneş pillerinde radyasyon hasarı, hücrenin ışık toplayıcı katmanını oluşturan fotovoltaik malzemelerde kusurlara neden olur. Bu kusurlar, malzeme boyunca bir elektrik akımı akışı oluşturmaktan, akımı azaltmaktan ve nihayetinde hücrenin güç çıkışını düşürmekten sorumlu olan fotoaktif yük taşıyıcılarını yakalar.
Yüklü parçacıkların güneş pili içinde ne kadar uzağa gitmeleri gerekiyorsa, bir kusurla karşılaşmaları ve hapsolmaları o kadar olasıdır. Bu nedenle, bu hareket mesafesinin azaltılması, parçacıkların daha küçük bir bölümünün kusurlar tarafından tutulacağı anlamına gelir.
Bunu yapmanın bir yolu, güneş pillerini daha ince yapmaktır. Yeni çalışmada liderliğindeki araştırmacılar, Armin Barthel hücrelerini, sadece 80 nm kalınlığında bir GaAs ışığı soğuran katmana sahip bir yarı iletken malzeme yığınından üreterek tam olarak bunu yaptı.
Bu stratejinin işe yarayıp yaramadığını test etmek için ekip, yeni hücreyi İngiltere'deki Dalton Cumbrian Nükleer Tesisinde üretilen protonlarla bombalayarak kozmik radyasyonun etkilerini taklit etti. Daha sonra, radyasyon hasarının derecesini ölçen zamana bağlı katodolüminesansın bir kombinasyonunu ve bombalanan cihazların güneş ışığını güce ne kadar iyi dönüştürdüğünü belirleyen Kompakt Güneş Simülatörü olarak bilinen bir cihazın bir kombinasyonunu kullanarak hücrenin performansını ölçtüler.
Barthel ve meslektaşları, cihazlarındaki yük taşıyıcıların yaşam sürelerinin yaklaşık 198 pikosaniyeden (10-12 s) daha sonra yaklaşık 6.2 pikosaniye ön radyasyon. Bununla birlikte, gerçek akım, keskin bir şekilde düştüğü belirli bir proton akışı eşiğine kadar sabit kaldı. Araştırmacılar, bu düşüşün, katodolüminesanstan hesaplanan taşıyıcı ömrünün, taşıyıcıların ultra ince cihazı geçmesi için geçen süre ile karşılaştırılabilir hale geldiği nokta ile ilişkili olduğunu söylüyor.
Zorlu uzay ortamlarında güç üretimi
Barthel, "Bu çalışmada incelenen cihazların ana potansiyel uygulaması, zorlu uzay ortamlarında güç üretimi içindir" diyor. dergisinde yayınlanan araştırmayı anlatan bir çalışmada, Uygulamalı Fizik Dergisi, araştırmacılar, böyle bir ortamın, Dünya'nın proton radyasyon kuşağının merkezinden geçen ve yüksek enlemlerde izleme ve iletişim için kullanılan Molniya yörüngesi gibi orta Dünya yörüngeleri (MEO'lar) olabileceğini öne sürüyorlar. Daha iyi korunan alçak Dünya yörüngeleri (LEO'lar) daha da karmaşık hale geldikçe, bu tür yörüngeler daha da önemli hale gelecek.
Karbon nanotüpler, uzaya bağlı elektroniklerin radyasyon hasarına direnmesine yardımcı olur
Jüpiter'in uydusu Europa'nın dünya dışı yaşam arayışında özel bir ilgi alanı olan yörüngesi başka bir örnektir. Bu ay, güneş sistemindeki en şiddetli radyasyon ortamlarından birine sahiptir ve güneş enerjisiyle çalışan bir uzay aracının oraya inmesi, radyasyona karşı yüksek düzeyde toleranslı hücreler gerektirecektir.
Barthel, yeni hücrelerin öncelikle uydular için bir güç kaynağı olarak tasarlanmasına rağmen, Fizik dünyası onları burada, Dünya'da kullanılmak üzere uzayda güç üretmek için kullanma "fikrini göz ardı etmediğini". O ve meslektaşları şimdi bu çalışmadan öğrendiklerini hücrelerini daha da optimize etmek için kullanmayı planlıyorlar. Barthel, "Şimdiye kadar ultra ince hücrelerimiz için yalnızca bir kalınlığa baktık ve sonuçlarımız, radyasyon toleransı ile ışık emilimi arasında daha iyi bir denge sağlayan farklı bir kalınlık olup olmadığını anlamamıza yardımcı olacak" diye açıklıyor. "Ayrıca, güç çıkışını iyileştirmek ve farklı malzeme kombinasyonlarını denemek için birden fazla ultra ince hücreyi istiflemekle de ilgileniyoruz."
