Một tế bào quang điện siêu mỏng mới có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cho các vệ tinh trong các vùng không gian có mức bức xạ cao. Được phát triển bởi các nhà nghiên cứu từ Đại học Cambridge ở Anh, thiết bị này sử dụng một lớp gali arsenua (GaAs) mỏng để hấp thụ ánh sáng và bền hơn đối với bức xạ proton so với các thiết bị dày hơn đã được nghiên cứu trước đây.
Bức xạ vũ trụ là bức xạ ion hóa được tạo thành từ hỗn hợp các ion nặng và các tia vũ trụ (các proton năng lượng cao, các electron và hạt nhân nguyên tử). Từ trường của Trái đất bảo vệ chúng ta khỏi 99.9% bức xạ này và 0.1% còn lại bị suy giảm đáng kể bởi bầu khí quyển của chúng ta. Tuy nhiên, tàu vũ trụ không nhận được sự bảo vệ như vậy và bức xạ có thể làm hỏng hoặc thậm chí phá hủy các thiết bị điện tử trên tàu của chúng.
Các khuyết tật do bức xạ gây ra bẫy các chất mang điện tích quang hóa
Trong pin mặt trời, sự phá hủy bức xạ đưa các khuyết tật vào vật liệu quang điện tạo thành lớp thu ánh sáng của tế bào. Những khiếm khuyết này bẫy các hạt mang điện tích quang hóa chịu trách nhiệm tạo ra dòng điện chạy qua vật liệu, làm giảm dòng điện và cuối cùng là giảm sản lượng điện của tế bào.
Các hạt tích điện phải di chuyển qua pin mặt trời càng xa thì càng có nhiều khả năng chúng gặp phải khuyết tật và bị mắc kẹt. Do đó, việc giảm khoảng cách di chuyển này có nghĩa là một phần nhỏ hơn của các hạt sẽ bị mắc kẹt bởi các khuyết tật.
Một cách để làm điều này là làm cho pin mặt trời mỏng hơn. Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Armin Barthel đã làm chính xác điều đó, chế tạo các tế bào của họ từ một chồng vật liệu bán dẫn với lớp hấp thụ ánh sáng GaAs chỉ dày 80 nm.
Để kiểm tra xem chiến lược này có hiệu quả hay không, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng tác động của bức xạ vũ trụ bằng cách bắn phá tế bào mới bằng các proton được tạo ra tại Cơ sở hạt nhân Dalton Cumbrian ở Anh. Sau đó, họ đo hiệu suất của tế bào bằng cách sử dụng kết hợp phát quang âm cực phân giải theo thời gian, đo lường mức độ thiệt hại của bức xạ và một thiết bị được gọi là Bộ mô phỏng năng lượng mặt trời nhỏ gọn xác định mức độ các thiết bị bị bắn phá chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng.
Barthel và các đồng nghiệp nhận thấy rằng thời gian tồn tại của các hạt mang điện tích trong thiết bị của họ giảm từ khoảng 198 pico giây (10-12 s) bức xạ trước đến khoảng 6.2 pico giây sau đó. Tuy nhiên, dòng điện thực tế vẫn không đổi cho đến một ngưỡng nhất định của sự lưu loát proton, vượt qua ngưỡng đó nó giảm mạnh. Các nhà nghiên cứu cho biết sự sụt giảm này tương quan với thời điểm mà thời gian tồn tại của sóng mang, được tính từ quá trình phát quang ở cực âm, có thể so sánh với thời gian cần thiết để sóng mang đi qua thiết bị siêu mỏng.
Phát điện trong môi trường không gian đòi hỏi khắt khe
Barthel nói: “Ứng dụng tiềm năng chính của các thiết bị được nghiên cứu trong công trình này là để phát điện trong môi trường không gian đòi hỏi khắt khe. Trong một nghiên cứu mô tả nghiên cứu, được xuất bản trong Tạp chí Vật lý ứng dụng, các nhà nghiên cứu cho rằng một trong những môi trường như vậy có thể là quỹ đạo giữa Trái đất (MEO) chẳng hạn như quỹ đạo Molniya đi qua trung tâm vành đai bức xạ proton của Trái đất và được sử dụng để theo dõi và liên lạc ở vĩ độ cao. Khi các quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO) được bảo vệ tốt hơn trở nên lộn xộn hơn bao giờ hết, những quỹ đạo như vậy sẽ trở nên quan trọng hơn.
Các ống nano carbon giúp các thiết bị điện tử trong không gian chống lại tác hại của bức xạ
Quỹ đạo của mặt trăng Europa của sao Mộc, vốn được giới khoa học đặc biệt quan tâm trong việc tìm kiếm sự sống ngoài trái đất, là một ví dụ khác. Mặt trăng này có một trong những môi trường bức xạ khắc nghiệt nhất trong hệ mặt trời và việc hạ cánh một tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng mặt trời sẽ cần các tế bào có khả năng chịu bức xạ cao.
Mặc dù các tế bào mới được thiết kế chủ yếu như một nguồn năng lượng cho các vệ tinh, Barthel nói Thế giới vật lý rằng anh ấy “không loại trừ ý tưởng” sử dụng chúng để tạo ra năng lượng trong không gian để sử dụng ở đây trên Trái đất. Ông và các đồng nghiệp hiện có kế hoạch sử dụng những gì họ học được từ nghiên cứu này để tiếp tục tối ưu hóa các tế bào của họ. Barthel giải thích: “Cho đến nay, chúng tôi mới chỉ xem xét một độ dày cho các tế bào siêu mỏng của mình và kết quả của chúng tôi sẽ giúp chúng tôi tìm ra liệu có độ dày khác mang lại sự thỏa hiệp tốt hơn giữa khả năng chịu bức xạ và hấp thụ ánh sáng hay không. “Chúng tôi cũng quan tâm đến việc xem xét xếp chồng nhiều tế bào siêu mỏng để cải thiện sản lượng điện và cũng thử các kết hợp vật liệu khác nhau.”
