Новий ультратонкий фотоелектричний елемент може бути використаний як джерело живлення для супутників у регіонах космосу, які відчувають високий рівень радіації. Розроблений дослідниками з Кембриджського університету у Великобританії, пристрій використовує тонкий шар арсеніду галію (GaAs) для поглинання світла та є більш стійким до протонного випромінювання, ніж більш товсті пристрої, які досліджувалися раніше.
Космічне випромінювання — це іонізуюче випромінювання, що складається із суміші важких іонів і космічних променів (високоенергетичних протонів, електронів і атомних ядер). Магнітне поле Землі захищає нас від 99.9% цього випромінювання, а решта 0.1% значно послаблюється нашою атмосферою. Однак космічні кораблі не отримують такого захисту, і випромінювання може пошкодити або навіть знищити їх бортову електроніку.
Індуковані радіацією дефекти захоплюють фотоактивовані носії заряду
У сонячних елементах радіаційне пошкодження вносить дефекти у фотоелектричні матеріали, які утворюють світлозбиральний шар елемента. Ці дефекти захоплюють фотоактивовані носії заряду, відповідальні за генерацію потоку електричного струму через матеріал, зменшуючи струм і, зрештою, знижуючи вихідну потужність елемента.
Чим далі заряджені частинки повинні пройти через сонячний елемент, тим більша ймовірність, що вони зіткнуться з дефектом і потрапять у пастку. Отже, зменшення цієї відстані означає, що менша частка частинок буде захоплена дефектами.
Один із способів зробити це — зробити сонячні елементи тоншими. У новій роботі дослідники під керівництвом Армін Бартель зробили саме це, виготовивши свої клітини з купи напівпровідникових матеріалів із світлопоглинаючим шаром GaAs товщиною лише 80 нм.
Щоб перевірити, чи спрацювала ця стратегія, команда імітувала вплив космічного випромінювання, бомбардуючи нову комірку протонами, виробленими на ядерному заводі Dalton Cumbrian Nuclear Facility у Великобританії. Потім вони виміряли продуктивність клітини, використовуючи комбінацію катодолюмінесценції з часовим розподілом, яка вимірює ступінь пошкодження радіацією, і пристрою, відомого як компактний сонячний симулятор, який визначає, наскільки добре бомбардовані пристрої перетворюють сонячне світло в енергію.
Бартел та його колеги виявили, що тривалість життя носіїв заряду в їхньому пристрої зменшилася з приблизно 198 пікосекунд (10).-12 s) попереднє випромінювання до приблизно 6.2 пікосекунд після цього. Однак фактичний струм залишався постійним до певного порогу флюенсу протонів, за яким він різко падав. Дослідники кажуть, що це падіння корелює з моментом, коли час життя носіїв, розрахований за катодолюмінесценцією, стає порівнянним з часом, який потрібен носіям для проходження через ультратонкий пристрій.
Виробництво електроенергії в складних космічних умовах
«Основне потенційне застосування пристроїв, які вивчаються в цій роботі, — це виробництво електроенергії в складних космічних середовищах», — говорить Бартел. У дослідженні, що описує дослідження, опублікованому в Журнал прикладної фізики, дослідники припускають, що одним із таких середовищ можуть бути середземні орбіти (MEO), такі як орбіта Молнія, яка проходить через центр протонного радіаційного поясу Землі та використовується для моніторингу та зв’язку на високих широтах. Оскільки краще захищені низькі навколоземні орбіти (НОО) стають все більш захаращеними, такі орбіти ставатимуть все більш важливими.
Вуглецеві нанотрубки допомагають космічній електроніці протистояти радіаційному пошкодженню
Іншим прикладом є орбіта супутника Юпітера — Європи, яка становить особливий науковий інтерес у пошуках позаземного життя. Цей місяць має одне з найсуворіших радіаційних середовищ у Сонячній системі, і для посадки туди космічного корабля, що працює на сонячних батареях, знадобляться клітини з високою радіаційною стійкістю.
Хоча нові клітини в першу чергу розроблені як джерело живлення для супутників, розповідає Бартел Світ фізики що він «не виключає ідеї» використання їх для виробництва енергії в космосі для використання тут, на Землі. Тепер він і його колеги планують використати те, що вони дізналися з цього дослідження, для подальшої оптимізації своїх клітин. «Поки що ми розглядали лише одну товщину для наших ультратонких клітин, і наші результати допоможуть нам з’ясувати, чи існує інша товщина, яка забезпечує кращий компроміс між радіаційною стійкістю та поглинанням світла», — пояснює Бартел. «Ми також зацікавлені в поєднанні кількох надтонких елементів для підвищення потужності, а також спробувати різні комбінації матеріалів».
