توسط : پژوهشگران عملکرد سلولهای خورشیدی مبتنی بر کالکوژنید آنتیموان را پس از قرار گرفتن در معرض تابش پروتونی بررسی کردند. نتایج نشان داد که این سلولها مقاومت بسیار بالایی در برابر تخریب ناشی از این نوع تابش دارند و بنابراین گزینهای امیدوارکننده برای استفاده در فضا محسوب میشوند.
پژوهشگران دانشگاه تولدو و دانشگاه اُبرن در ایالات متحده بررسی کردند که سلولهای خورشیدی ساختهشده از کالکوژنید آنتیموان تا چه حد میتوانند سطوح تابش پروتونی را که معمولاً در مدارهای فضایی به پنلهای خورشیدی وارد میشود، تحمل کنند.
پیش از انجام این مطالعه، این گروه تحقیقاتی به این موضوع اشاره کرده بود که این نوع فناوری سلول خورشیدی لایهنازک میتواند در آینده برای کاربردهای زمینی و فضایی مورد استفاده قرار گیرد. نویسنده مسئول این پژوهش، «آلیشا آدهیکاری»، توضیح داد:
«سلولهای خورشیدی مبتنی بر کالکوژنید آنتیموان بهدلیل ترکیب ساده، باندگپهای مناسب، ضریب جذب بالا، هزینه ساخت پایین و پایداری مواد، توجه زیادی را به خود جلب کردهاند.»
بهمنظور بررسی پتانسیل این فناوری برای کاربردهای فضایی، پژوهشگران میزان تحمل تابش پروتونی سلولهای خورشیدی مبتنی بر Sb₂S₃ و Sb₂(S,Se)₃ را اندازهگیری کردند. آنها این سلولها را در چهار سطح شار پروتونی (از ۱۰۱۱ تا ۱۰۱۴ پروتون بر سانتیمتر مربع) و در دو سطح انرژی ۱۰۰ کیلوالکترونولت و ۳۰۰ کیلوالکترونولت در معرض تابش قرار دادند.
این سلولها با استفاده از پروتونهایی که توسط یک شتابدهنده ذرات 6HDS-2 Tandem ساخت شرکت National Electrostatics Corporation و مجهز به منبع یون منفی SNICS تولید میشد، پرتودهی شدند.
به گفته آدهیکاری، اندازهگیری چگالی جریان–ولتاژ (J-V) و بازده کوانتومی خارجی (EQE) برای سلولها، پیش و پس از پرتودهی انجام شد تا تغییرات عملکردی ثبت و مقایسه شود.
در بخش شبیهسازی این پژوهش، تیم تحقیقاتی از نرمافزار SRIM (Stopping Range of Ions in Matter) مبتنی بر شبیهسازی مونتکارلو استفاده کرد تا عمق نفوذ پروتونها و اثرات احتمالی آن بر ساختار سلولها را ارزیابی کند.
سلولهای خورشیدی مورد بررسی در یک پیکربندی سوپراستریت ساخته شده بودند که شامل لایههای زیر است: لایه اکسید قلع آلاییده با فلوئور (FTO) روی بستر شیشهای، لایه انتقال الکترون کادمیوم سولفید (CdS)، لایه جاذب مبتنی بر Sb₂S₃ یا Sb₂(S,Se)₃، لایه انتقال حفره Spiro-OMeTAD و در نهایت اتصالات پشتی طلا (Au).
راندمان اولیه تبدیل انرژی این سلولها پیش از تابش پروتونی بین ۶ تا ۸ درصد بود. برای پیشبینی عملکرد پایان عمر (EoL) در شرایط فضایی، تیم پژوهشی از محاسبات EoL-PCE و تحلیل دوز آسیب جابجایی (DDD) استفاده کرد. آنها میزان حفظ پارامترهای J-V را بهعنوان تابعی از DDD برای هر دو نوع سلول Sb₂S₃ و Sb₂(S,Se)₃ ارزیابی کردند.
پس از آن، پژوهشگران عملکرد این سلولهای خورشیدی لایهنازک را با سلولهای پیشرفته III-V—در دو حالت با شیلد محافظ و بدون شیلد—مقایسه کردند. راندمان اولیه این سلولهای پیشرفته از ۲۸ درصد در سلولهای سهپیوندی تا ۳۲ درصد در سلولهای چهارپیوندی متغیر بود.
نتایج تحلیل DDD و شبیهسازیهای EoL-PCE نشان داد که سلولهای خورشیدی مبتنی بر Sb₂S₃ توان تحمل محیطهای با تابش پروتونی شدید را دارند.
این سلولها پس از قرار گرفتن در معرض DDD تا حد ۱۰۱۳ MeV/g، مقاومت تابشی برتری نسبت به سلولهای III-V نشان دادند. سلولهای مبتنی بر Sb₂(S,Se)₃ نیز تا شار ۱۰۱۴ پروتون بر سانتیمتر مربع رفتاری مشابه و مقاومتی نزدیک به سلولهای Sb₂S₃ از خود نشان دادند.
پژوهشگران در این مطالعه به «تحملپذیری بالا» و «پتانسیل چشمگیر سلولهای خورشیدی کالکوژنید آنتیموان برای کاربردهای فضایی آینده» اشاره کردند. با این حال، آنها به محدودیت مهم این فناوری لایهنازک نیز پرداختند: راندمان تبدیل انرژی این سلولها در مقایسه با فناوری III-V همچنان پایینتر است.
به گفته آنها، برای رقابتیتر شدن این سلولها در مأموریتهای فضایی آینده، باید پژوهشهای گستردهتری انجام شود تا موانع برطرف و راهبردهای جدیدی توسعه یابد؛ ازجمله مهندسی شکاف انرژی، بهینهسازی واسطها و یکپارچهسازی در ساختارهای تاندِم. تیم تحقیقاتی در ادامه قصد دارد با بهرهگیری از روشهای رسوبدهی نوین، بازده سلولهای خورشیدی کالکوژنید آنتیموان را افزایش دهد.
این پژوهش در مجله Solar RRL منتشر شده است.
بیشتر بخوانید: شارپ پنل خورشیدی ورقهای سبک و منعطف مناسب کاربردهای فضایی تولید میکند
