В Журнал прикладной физики, издательством AIP Publishing, ученые из Кембриджского университета предложили радиационно-стойкую конструкцию фотоэлектрического элемента, которая имеет ультратонкий слой светопоглощающего материала.

Когда солнечные элементы поглощают свет, они передают его энергию отрицательно заряженным электронам в материале. Эти носители заряда высвобождаются и генерируют поток электроэнергии через фотоэлектрическую систему. Облучение в космосе вызывает повреждения и снижает эффективность за счет смещения атомов в материале солнечного элемента и сокращения срока службы носителей заряда. Уменьшение толщины фотоэлектрических элементов должно увеличить их долговечность, поскольку носителям заряда приходится проходить меньшее расстояние в течение их сокращенного срока службы.

Поскольку 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.

Другим применением радиационно-устойчивых клеток является изучение других планет и лун. Например, Европа, спутник Юпитера, имеет одну из самых суровых радиационных сред в Солнечной системе. Для посадки космического корабля на солнечной энергии на Европу потребуются устройства, устойчивые к радиации.

Исследователи построили два типа фотоэлектрических устройств, используя полупроводниковый арсенид галлия. Один из них представлял собой конструкцию на кристалле, созданную путем наслоения нескольких веществ в стопку. Другой дизайн включал серебряное заднее зеркало для усиления поглощения света.

Чтобы имитировать воздействие радиации в космосе, устройства подвергались бомбардировке протонами, генерируемыми на ядерном объекте Далтон Камбриан в Великобритании. Производительность фотоэлектрических устройств до и после облучения была изучена с использованием метода, известного как катодолюминесценция, который может дать оценку степени радиационного повреждения. Был проведен второй набор тестов с использованием компактного солнечного симулятора, чтобы определить, насколько хорошо устройства преобразуют солнечный свет в энергию после бомбардировки протонами.

"Наш ультратонкий солнечный элемент превосходит ранее изученные более толстые устройства по протонному излучению 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 элементов объясняется тем, что носители заряда живут достаточно долго, чтобы перемещаться между терминалами в устройстве.

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