Les cellules solaires ultrafines promettent des performances satellite améliorées

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, dégrader leurs performances et limiter leur durée de vie.

Dans le Journal de physique appliquéedes scientifiques de l’Université de Cambridge ont proposé une conception de cellule photovoltaïque tolérante aux radiations qui comporte une couche ultrafine de matériau absorbant la lumière.

Lorsque les cellules solaires absorbent la lumière, elles transfèrent son énergie aux électrons chargés négativement dans le matériau. Ces porteurs de charge sont libérés et génèrent un flux d’électricité à travers le 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. Rendre les photovoltaïques plus fins devrait augmenter leur longévité car les porteurs de charge ont moins de chemin à parcourir pendant leurs durées de vie raccourcies.

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

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

Les chercheurs ont construit deux types de dispositifs photovoltaïques utilisant l’arséniure de gallium semi-conducteur. L’un était une conception sur puce construite en superposant plusieurs substances dans une pile. L’autre conception impliquait un miroir arrière argenté pour améliorer l’absorption de la lumière.

Pour imiter les effets du rayonnement dans l’espace, les appareils ont été bombardés avec des protons générés à l’installation nucléaire de Dalton Cumbrian au Royaume-Uni. Les performances des appareils 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 la quantité de dommages causés par les radiations. Une deuxième série de tests à l’aide d’un simulateur solaire compact a été effectuée pour déterminer dans quelle mesure les appareils convertissaient la lumière du soleil en énergie après avoir été bombardés de protons.

“Notre cellule solaire ultra-mince surpasse les dispositifs plus épais précédemment étudiés pour le rayonnement protonique au-dessus 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.

Les auteurs ont déclaré que l’amélioration des performances de ces cellules ultra-minces est due au fait que les porteurs de charge vivent suffisamment longtemps pour se déplacer entre les bornes de l’appareil.

Par rapport aux cellules plus épaisses, il faut près de 3,5 fois moins de verre de protection pour que les cellules ultra-minces 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.

L’article « Radiation effects in ultra-thin GaAs solar cells » est rédigé par Armin Barthel, Larkin Sayre, Gunnar Kusch, Rachel A. Oliver et Louise C. Hirst. L’article paraîtra dans Journal de physique appliquée en nov. 8, 2022.