Las células solares ultrafinas mejoran el rendimiento de los satélites

La mayoría de los satélites espaciales funcionan con células fotovoltaicas que convierten la luz solar en electricidad. La exposición a ciertos tipos de radiación presentes en órbita puede dañar los dispositivos, degradando su rendimiento y limitando su vida útil.

En Journal of Applied Physics, científicos de la Universidad de Cambridge propusieron un diseño de celda fotovoltaica tolerante a la radiación que presenta una capa ultrafina de material absorbente de luz.

Cuando las células solares absorben la luz, transfieren su energía a los electrones cargados negativamente del material. Estos portadores de carga se liberan y generan un flujo de electricidad a través de la fotovoltaica. La irradiación en el espacio provoca daños y reduce la eficiencia al desplazar átomos en el material de la célula solar y reducir la vida útil de los portadores de carga. Hacer que las energías fotovoltaicas sean más delgadas debería aumentar su longevidad porque los portadores de carga tienen menos camino por recorrer durante sus vidas más cortas.

A medida que la órbita terrestre baja se llena de satélites, se vuelve cada vez más necesario utilizar órbitas terrestres medias, como la órbita de Molniya que pasa por el centro del cinturón de radiación de protones de la Tierra. Se necesitarán diseños de celdas tolerantes a la radiación para estas órbitas más altas.

Radiación

Otra aplicación de las células tolerantes a la radiación es el estudio de otros planetas y lunas. Por ejemplo, Europa, una luna de Júpiter, tiene uno de los entornos de radiación más severos del sistema solar. El aterrizaje de una nave espacial con energía solar en Europa requerirá dispositivos tolerantes a la radiación.

Los investigadores construyeron dos tipos de dispositivos fotovoltaicos utilizando el semiconductor arseniuro de galio. Uno era un diseño en chip construido mediante la superposición de varias sustancias en una pila. El otro diseño involucró un espejo trasero plateado para mejorar la absorción de la luz.

Para imitar los efectos de la radiación en el espacio, los dispositivos se bombardearon con protones generados en la instalación nuclear de Dalton Cumbrian en el Reino Unido. Se estudió el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos antes y después de la irradiación utilizando una técnica conocida como catodoluminiscencia que puede dar una medida de la cantidad de daño por radiación. Se llevó a cabo una segunda serie de pruebas utilizando un Simulador Solar Compacto para determinar qué tan bien los dispositivos convertían la luz solar en energía después de ser bombardeados con protones.

"Nuestra célula solar ultrafina supera a los dispositivos más gruesos estudiados anteriormente para la radiación de protones por encima de un cierto umbral. Las geometrías ultrafinas ofrecen un rendimiento favorable en dos órdenes de magnitud en relación con las observaciones anteriores", dijo el autor Armin Barthel.

Menos costos

Los autores dijeron que el rendimiento mejorado de estas celdas ultradelgadas se debe a que los portadores de carga viven lo suficiente como para viajar entre terminales en el dispositivo.

En comparación con las celdas más gruesas, se necesita casi 3,5 veces menos cubierta de vidrio para que las celdas ultradelgadas entreguen la misma cantidad de energía después de 20 años de funcionamiento. Esto se traducirá en una carga más ligera y una reducción significativa en los costos de lanzamiento.