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超薄太阳能电池长寿高效,或降低卫星发射成本

2022年11月13日8:12 未解之谜网

    拥有超薄砷化镓层的新型太阳能电池。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。金色网格是导电的金属触点。(Armin Barthel/剑桥大学)

    剑桥大学发明了一款拥有超薄砷化镓层的新型太阳能电池,有望为大多数太空中的卫星提供长久且足够的电力。因其耐辐射特性,让新款的太阳能电池拥有较长寿命,能减少卫星电池的损毁与维修费用,并可降低卫星发射成本。

    该项研究报告在11月8日被刊登在美国物理联合会(American Institute of Physics,AIP)的应用物理学杂志上。

    太空中的辐射和高能粒子束撞击皆比地表强,同时环境也更加的恶劣,导致太空中的太阳能电池(光伏设备)内部材料容易出现光衰退现象(材料长期性接受强辐射和高能粒子束撞击后变质,出现功能性下降),卫星太阳能电池容易损坏,或降低发电效率。

    为提高太阳能电池内部材料的辐射耐受性,研究人员重点使用一种超薄的吸收层,原因是提高辐射耐受性的其中一个办法是减少设备的厚度,并减少载流子(带有电荷的物质微粒,如:电子和离子)引发的短路使吸收层的化学性质受到破坏。

    对许多金属化合物和金属厚度进行筛选和测试后,最终他们选中一种仅80纳米(nm)厚度的砷化镓(GaAs)和混合微量硅元素作为太阳能电池的半导体吸收层。原因是在测试中发现80纳米厚度的吸收层产生的电流、电压等相对较稳定,而砷化镓同时也是优秀的耐辐射物质。

    研究人员使用半导体砷化镓制造了太阳能电池设备,通过将几种物质分层堆叠而构建晶圆片上和晶圆外器件,后者的反转层结构结合平面银背镜以增强光吸收。

    为了模拟太空辐射的影响,他们使用阴极射线装置,对这些设备发射3 MeV质子进行轰击测试。该技术可以测量辐射对装置的伤害量,研究太阳能电池被质子束轰击后的变化,确保设备不会出现问题。

    另外,科学家使用一款太阳模拟器对两个设备进行测试,确定这些设备在被质子轰击后将阳光转化为电能的能力。

    最终结果显示,超薄砷化镓层的新型太阳能电池,不仅通过了辐射测试,还延长了电池使用寿命并供应了更高电能转换效率。

    该篇论文的作者之一,阿明‧巴特尔(Armin Barthel)在11月8日对美国物理研究所表示:“我们的超薄太阳能电池在超过一定阈值的质子辐射方面优于先前研究的较厚设备,还有超薄的几何形状提供更加良好的性能。”他解释,这些超薄电池性能的提高,原因在载流子存在的寿命足够长,可以在设备之间进行有效传播。

    他还表示,在相同功率数的电池中,该种超薄电池在运行20年后所需的盖玻片(太阳能电池外部)厚度比先前厚重的太阳能电池少了近3.5倍,这大大的减轻发射卫星的火箭负载,并降低发射成本。

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