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超薄太阳能电池有望提高卫星性能

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超薄片上太阳能电池的照片。这些电池是绿色方块,包括一层超薄的吸光砷化镓,这是它们耐辐射的关键。每个绿色方块的表面只有120纳米,大约是人类头发厚度的千分之一,高于周围的灰色区域。金色网格是导电的金属触点。图片来源:阿明·巴塞尔/剑桥大学

科技日报实习记者张佳欣

大多数太空卫星是由光伏电池供电的,光伏电池将阳光转化为电能。暴露在轨道上的某些类型的辐射会损坏这些设备,降低它们的性能,并限制它们的寿命。根据最新一期《应用物理杂志》,英国剑桥大学科学家提出了一种耐辐射光伏电池设计,其特点是具有超薄的光吸收材料层,更薄的电池可减少对轨道上光伏电池的辐射损伤,从而有望提高卫星性能。

当太阳能电池吸收光时,它们将其能量转移到材料中带负电荷的电子上。这些电荷载流子被释放并产生穿过光伏的电流。太空中的辐射会使太阳能电池材料中的原子移位,缩短载流子的寿命,从而造成损害并降低效率。让光伏变得更薄将延长它们的寿命,因为电荷载流子在寿命期限内传输的路径更短。

耐辐射电池的应用之一是研究行星和卫星。例如,木星的卫星木卫二拥有太阳系中最恶劣的辐射环境之一,将太阳能航天器降落在木卫二上将需要耐辐射设备。

研究人员使用半导体砷化镓建造了两种类型的光伏设备。一种是芯片上的设计,通过将几种物质分层堆叠而成;另一种设计涉及一个银色的后视镜,以增强光的吸收。

为了模拟太空中辐射的影响,研究人员用英国道尔顿·坎布里亚核设施产生的质子轰击了这些设备。他们使用可测量辐射伤害量的阴极发光技术来研究辐射前后光伏设备的性能,然后使用紧凑型太阳能模拟器进行了第二组测试,以确定这些设备在受到质子轰击后将太阳光转化为电力的情况。

研究人员称,超薄太阳能电池在一定阈值以上的质子辐射性能优于之前研究过的更厚的设备。超薄的几何结构提供了比之前观察到的两个数量级更好的性能。而且,这些超薄电池性能的提高是因为电荷载体的寿命足够长,可在设备的端子之间传输。

如果提供相同数额的电力,运行20年后,较厚的电池将比超薄电池所需的盖玻片多3.5倍。因此,超薄电池节省的资源将转化为更轻的负载和更少的发射成本。