Ultravékony napelemcellák
(Rovat: Új eszközök és anyagok - 2022.12.06 07:15.)

A világűrben elektromos energiát termelő napelemeket kevésbé károsítja a sugárzás, ha vékonyabbak a cellák.

A legtöbb űreszköz energiaellátását napelemek biztosítják. Bizonyos típusú sugárzások azonban károsítják a világűrben működő napelemeket, ami az idő múlásával a leadott elektromos teljesítmény csökkenését okozza, végeredményben pedig korlátozza a napelemek használhatóságának időtartamát. A Cambridge-i Egyetem munkatársai a Journal of Applied Physics folyóiratban megjelent cikkükben olyan sugárzásálló napelemcellák tervét vázolják fel, amelyekben rendkívül vékony a fényelnyelő anyag.

Amikor a napelemek elnyelik a fényt, az energiát az anyagban lévő elektronok veszik fel. Az energia hatására a töltéshordozók kiszabadulnak a kristályrácsból, szabadon elmozdulnak, vagyis elektromos áram folyik. A világűrben azonban a sugárzás károsítja a fényérzékeny réteget, mert elmozdítja a helyükről a félvezető kristály atomjait, miáltal csökkenti a töltéshordozó anyag élettartamát. Ha a fényérzékeny anyagot vékonyabb rétegben alkalmazzák, akkor ezzel csökkentik a degradáció lehetőségét, mert a töltéshordozóknak csak kisebb távolságra kell elmozdulniuk.

Ahogy az alacsony Föld körüli (LEO) pályák egyre zsúfoltabbá válnak, egyre inkább igénybe kell venni a közepes magasságú pályákat (MEO), amelyek viszont belenyúlnak a Földet körülvevő sugárzási övek nagy protonsűrűségű tartományába, ahol az erős sugárzás jobban károsítja a napelemeket, így megnő a sugárzástűrő megoldások jelentősége. A jobb sugárzástűrő képességű napelemek másik alkalmazási területe a bolygók és holdjaik tanulmányozása lehet. A Jupiter Europa holdja például az egész Naprendszerben a legerősebb sugárzásnak kitett égitest, így az oda küldendő napelemes leszállóegységen mindenképp sugárzásálló napelemeket lenne érdemes alkalmazni.

A kutatók félvezető gallium-arzenidből (GaAs) kétféle fotovoltaikus eszközt készítettek. Az egyiknél egy chipre több rétegben vittek fel különböző anyagokat, míg a másiknál a cella aljára fényvisszaverő ezüstréteget vittek fel, ezzel növelve a fényelnyelés hatékonyságát. A világűr sugárzási környezetét utánozandó a 80 nm vastag GaAs réteget az Egyesült Királyság cumbriai (Nyugat-Anglia) Dalton nukleáris létesítményében előállított, 3 MeV energiájú protonokkal bombázták. A fotovoltaikus eszközök protonbesugárzás előtti és utáni teljesítményét katódlumineszcenciás eljárással vizsgálták, ami lehetővé tette a károsodás mértékének meghatározását. A kísérletek második sorozatát egy kompakt napszimulátorban végezték, ahol azt vizsgálták, milyen hatékonysággal alakítják az eszközök elektromossággá a fényt a protonbombázást követően.

Chipre épített, ultravékony napelemek. A napelemcellák a zöld téglalapok, amelyek ultravékony, fényelnyelő gallium-arzenidből állnak, anyaguk kulcsfontosságú a sugárzásállóság szempontjából. A zöld téglalapok felszíne mindössze 120 nanométerrel emelkedik ki a környező, szürke felületből, vagyis vastagságuk mindössze az emberi hajszál vastagságának ezredrésze. Az aranyszínű rácsok elektromosan vezető fémes kontaktusok. (Kép: Armin Barthel)

A cikk szerzői szerint az ultravékony napelemek jobb teljesítménye annak köszönhető, hogy a töltéshordozók élettartama elég ahhoz, hogy megtegyék az eszköz végpontjai közötti távolságot. Megállapították azt is, hogy a vastagabb napelemcellákkal szemben az ultravékonyaknál 3,5-szer vékonyabb üveg fedőrétegre volt szükség ahhoz, hogy 20 év elteltével is azonos teljesítményt adjanak le. A vékonyabb üvegréteg az űralkalmazásoknál csökkenti az eszközök tömegét és ezen keresztül az indítás költségét.