Большинство космических спутников питаются от фотогальванических элементов, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Воздействие определенных типов излучения на орбите может привести к повреждению устройств, ухудшению их характеристик и сокращению срока их службы.

В Journal of Applied Physics ученые из Кембриджского университета предложили радиационно -стойкую конструкцию фотогальванического элемента с ультратонким слоем светопоглощающего материала.

Когда солнечные элементы поглощают свет, они передают его энергию отрицательно заряженным электронам в материале. Эти носители заряда вырываются на свободу и генерируют поток электричества через фотоэлектрическую батарею. Облучение в космосе вызывает повреждения и снижает эффективность за счет смещения атомов в материале солнечного элемента и сокращения срока службы носителей заряда. Делая фотогальванические элементы тоньше, вы должны увеличить их долговечность, потому что носителям заряда остается меньше времени в течение их сокращенного срока службы.

По мере того, как низкая околоземная орбита становится все более загроможденной спутниками, становится все более необходимым использовать средние околоземные орбиты, такие как орбита «Молния», которая проходит через центр протонного радиационного пояса Земли. Для этих более высоких орбит потребуются радиационно-устойчивые конструкции ячеек.

Другое применение радиационно-устойчивых клеток — изучение других планет и лун. Например, Европа, спутник Юпитера, имеет одну из самых жестких радиационных сред в Солнечной системе. Для посадки космического корабля на солнечной энергии на Европу потребуются радиационно-устойчивые устройства.

Исследователи построили два типа фотоэлектрических устройств с использованием полупроводникового арсенида галлия. Один из них представлял собой конструкцию на кристалле, построенную путем наслоения нескольких веществ в стек. Другая конструкция включала серебряное заднее зеркало для улучшения поглощения света.

Чтобы имитировать эффекты радиации в космосе, устройства были бомбардированы протонами, генерируемыми на ядерной установке Далтона в Камбрии в Великобритании. Рабочие характеристики фотоэлектрических устройств до и после облучения изучались с использованием метода, известного как катодолюминесценция, который может дать меру сумма радиационного поражения. Второй набор тестов с использованием компактного солнечного симулятора был проведен, чтобы определить, насколько хорошо устройства преобразовывают солнечный свет в энергию после бомбардировки протонами.

«Наш ультратонкий солнечный элемент превосходит ранее изученные более толстые устройства для протонного излучения выше определенного порога. Ультратонкая геометрия обеспечивает благоприятные характеристики на два порядка по сравнению с предыдущими наблюдениями», — сказал автор Армин Бартель.

Авторы заявили, что улучшенная производительность этих ультратонких ячеек связана с тем, что носители заряда живут достаточно долго, чтобы перемещаться между терминалами в устройстве.

По сравнению с более толстыми элементами для сверхтонких элементов требуется почти в 3,5 раза меньше покровного стекла, чтобы обеспечить такое же количество энергии после 20 лет эксплуатации. Это приведет к уменьшению нагрузки и значительному снижению затрат на запуск.

Статья «Радиационные эффекты в ультратонких солнечных элементах GaAs» написана Армином Бартелем, Ларкином Сейром, Гуннаром Кушем, Рэйчел А. Оливер и Луизой С. Херст. Статья появится в Journal of Applied Physics 8 ноября 2022 года.