Des cellules solaires ultrafines prometteuses pour les satellites

La plupart des satellites spatiaux sont alimentés par des cellules photovoltaïques qui convertissent la lumière du soleil en électricité. L’exposition à certains types de rayonnements présents en orbite peut endommager les dispositifs, dégradant leurs performances et limitant leur durée de vie.

Dans le Journal of Applied Physics, publié par AIP Publishing, des scientifiques de l’université de Cambridge ont proposé une conception de cellule photovoltaïque tolérante aux rayonnements, qui comporte une couche ultramince de matériau absorbant la lumière.

Lorsque les cellules solaires absorbent la lumière, elles transfèrent son énergie à des électrons chargés négativement dans le matériau. Ces porteurs de charge sont libérés et génèrent un flux d’électricité à travers la cellule photovoltaïque. L’irradiation dans l’espace cause des dommages et réduit l’efficacité en déplaçant les atomes dans le matériau de la cellule solaire et en réduisant la durée de vie des porteurs de charge. L’amincissement des cellules photovoltaïques devrait accroître leur longévité, car les porteurs de charge ont moins de chemin à parcourir au cours de leur vie réduite.

L’orbite terrestre basse étant de plus en plus encombrée de satellites, il devient de plus en plus nécessaire d’utiliser des orbites terrestres moyennes, telles que l’orbite Molniya qui passe par le centre de la ceinture de rayonnement de protons de la Terre. Des cellules tolérantes aux radiations seront nécessaires pour ces orbites plus élevées.

Une autre application des cellules tolérantes aux rayonnements est l’étude d’autres planètes et lunes. Par exemple, Europa, une lune de Jupiter, possède l’un des environnements de rayonnement les plus sévères du système solaire. L’atterrissage d’un vaisseau spatial alimenté par l’énergie solaire sur Europe nécessitera des dispositifs tolérants aux radiations.

Les chercheurs ont construit deux types de dispositifs photovoltaïques utilisant l’arséniure de gallium comme semi-conducteur. L’un d’entre eux était une conception sur puce construite en superposant plusieurs substances. L’autre dispositif comportait un miroir arrière en argent pour améliorer l’absorption de la lumière.

Pour reproduire les effets des radiations dans l’espace, les dispositifs ont été bombardés avec des protons générés dans l’installation nucléaire de Dalton Cumbrian au Royaume-Uni. Les performances des dispositifs photovoltaïques avant et après l’irradiation ont été étudiées à l’aide d’une technique connue sous le nom de cathodoluminescence, qui peut donner une mesure de l’ampleur des dommages causés par les radiations. Une deuxième série de tests a été réalisée à l’aide d’un simulateur solaire compact afin de déterminer dans quelle mesure les dispositifs convertissaient la lumière du soleil en électricité après avoir été bombardés par des protons.

« Notre cellule solaire ultrafine est plus performante que les dispositifs plus épais précédemment étudiés pour les rayonnements de protons au-delà d’un certain seuil. Les géométries ultra-minces offrent des performances favorables de deux ordres de grandeur par rapport aux observations précédentes« , a déclaré l’auteur Armin Barthel.

Selon les auteurs, l’amélioration des performances de ces cellules ultraminces s’explique par le fait que les porteurs de charge vivent suffisamment longtemps pour voyager entre les bornes du dispositif.

Par rapport aux cellules plus épaisses, il faut près de 3,5 fois moins de verre de couverture pour que les cellules ultrafines fournissent la même quantité d’énergie après 20 ans de fonctionnement . Cela se traduira par une charge plus légère et une réduction significative des coûts de lancement.

Légende : Photo de cellules solaires ultrafines sur puce. Les cellules sont les carrés verts et comprennent une couche ultramince de GaAs absorbant la lumière, ce qui est essentiel pour leur tolérance aux rayonnements. La surface de chaque carré vert ne dépasse la zone grise environnante que de 120 nanomètres, soit environ un millième de l’épaisseur d’un cheveu humain. Les grilles dorées sont des contacts métalliques conducteurs d’électricité. Crédit / Armin Barthel

The article « Radiation effects in ultra-thin GaAs solar cells » is authored by Armin Barthel, Larkin Sayre, Gunnar Kusch, Rachel A. Oliver, and Louise C. Hirst. The article will appear in Journal of Applied Physics on Nov. 8, 2022 (DOI: 10.1063/5.0103381). After that date, it can be accessed at https://doi.org/10.1063/5.0103381.