Von GaAs zu Multijunction: Wie hat die EOL-Leistung die Entwicklung von Weltraumsolarzellen vorangetrieben?

    Der unermüdliche Drang zur Verbesserung der End-of-Life-Leistung (EOL) war die zentrale Triebfeder für die Entwicklung der Solarzellentechnologie für den Weltraum. Die EOL-Leistung – die Effizienz und Leistungsabgabe einer Zelle nach längerer Strahlungs- und Umweltbelastung – ist die entscheidende Messgröße für Missionsplaner. Unter den extremen Bedingungen im Weltraum mit seiner intensiven Strahlung, drastischen Temperaturschwankungen und dem Fehlen einer atmosphärischen Abschirmung entscheidet die Fähigkeit, die Energie über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, direkt über den Erfolg einer Mission, insbesondere wenn sie sich über die niedrige Erdumlaufbahn hinaus wagt.

    Die ersten Weltraum-Solarzellen entstanden in den 1950er-Jahren auf Basis von Silizium und flogen erstmals 1958 auf Vanguard 1. Es stellte sich jedoch schnell heraus, dass herkömmliche Siliziumzellen den langfristigen Strapazen des Weltraums nicht standhalten konnten, was kritische Einschränkungen für längere Missionen aufzeigte.

    Mit der Einführung von Galliumarsenid (GaAs)-Zellen kam es in den 1970er Jahren zu einem Wandel. GaAs bot eine deutlich höhere Strahlungsbeständigkeit als Silizium sowie eine höhere Umwandlungseffizienz und eine deutlich bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Diese Vorteile machten GaAs in den 1980er und 1990er Jahren zur dominierenden Weltraum-Photovoltaiktechnologie.

    Ende der 1990er Jahre kam es mit der Einführung der Mehrfachzellen zu einem weiteren revolutionären Schritt. Durch das Stapeln von Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlücken – am häufigsten Indium-Gallium-Phosphid (InGaP), Galliumarsenid (GaAs) und Germanium (Ge) – erfassen diese Triple-Junction-Geräte einen weitaus größeren Teil des Sonnenspektrums und übertreffen ihre Single-Junction-Gegenstücke deutlich.

    Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Verfeinerung von Zellarchitekturen, um gleichzeitig die Effizienz des Beginns des Lebens (BOL) und die Strahlungstoleranz zu maximieren. Fortschrittliche Multijunction-Designs zielen nun auf Wirkungsgrade von mehr als 30 % mit dem übergeordneten Ziel, über die Missionslebensdauer hinweg, die von mehreren Jahren für kommerzielle Satelliten bis zu Jahrzehnten für Weltraumforscher reicht, eine hohe Leistungsabgabe aufrechtzuerhalten und so die robuste EOL-Leistung zu liefern, die die moderne Weltraumforschung erfordert.