Welche Solarzellen können Strahlung verhindern?

Anti-Strahlungs-Solarzellen werden hauptsächlich in Umgebungen mit starker Strahlung wie in der Raumfahrt und in der Nuklearindustrie eingesetzt und müssen über eine Anti-Strahlungs-Leistung verfügen, um die Effizienz der Stromerzeugung aufrechtzuerhalten. Im Folgenden sind einige gängige Typen und Eigenschaften strahlungsbeständiger Solarzellen aufgeführt:

1、Solarzellen auf Siliziumbasis (verbesserte Version)

1. Einkristalline Silizium-Solarzellen

Eigenschaften: Hergestellt aus hochreinem monokristallinem Siliziummaterial mit vollständiger Kristallstruktur und starker Strahlungsbeständigkeit. In einer Strahlungsumgebung nimmt die Lebensdauer von Minoritätsträgern langsam ab und der Leistungsabfall ist relativ gering.

Anwendung: Die Hauptstromquelle für frühe Weltraumsatelliten, wie zum Beispiel die Satelliten der American Explorer-Serie.

Verbesserungsrichtung: Weitere Verbesserung der Strahlungsbeständigkeit durch Optimierung von Dotierungsprozessen (z. B. Phosphordotierung) oder Oberflächenpassivierungstechniken.

2. Silizium-Dünnschichtsolarzellen

Merkmale: Geringe Dicke (Mikrometerebene), geringer Energieverlust beim Eindringen der Strahlung und geringe Defektdichte in der Dünnschichtstruktur, wodurch strahlungsinduzierte Fallenzustände reduziert werden.

Anwendung: Flexible Solarmodule, die für Raumfahrzeuge verwendet werden können, beispielsweise als Hilfsenergiequellen für die Internationale Raumstation.

2、Verbundhalbleiter-Solarzelle

1. Galliumarsenid (GaAs)-Solarzellen

Kernvorteile:

Die Bandlückenbreite ist moderat (1,42 eV) und in einer Strahlungsumgebung ist die Trägerrekombinationsrate niedrig, was zu einer besseren Leistungsstabilität als bei Siliziumzellen führt.

Die Strahlungsbeständigkeit beträgt das 3- bis 5-fache der von Siliziumbatterien, insbesondere unter energiereicher Teilchenstrahlung (wie Protonen und Elektronen) ist der Wirkungsgradabfall langsamer.

Anwendung: Mainstream-Weltraumsolarzellen, etwa Energiesysteme für Marssonden und Kommunikationssatelliten (wie etwa GPS-Satelliten).

Ableitungstyp:

Triple-Junction-GaAs-Batterie: Durch die Verwendung einer gestapelten Struktur (eine Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Bandlückenbreiten) kann sie unter Strahlung immer noch eine hohe Umwandlungseffizienz aufrechterhalten (die Effizienz im Labor kann über 30 % erreichen).

2. Cadmiumtellurid (CdTe)-Solarzellen

Merkmale: Bandlückenbreite von 1,44 eV, ähnlich wie GaAs, gute Strahlungsbeständigkeit und geringere Kosten als GaAs.

Einschränkungen: Der Strahlungsschädigungsmechanismus von CdTe ist relativ komplex und sein Leistungsabfall unter langfristiger starker Strahlung ist etwas höher als der von GaAs. Derzeit wird es hauptsächlich in Umgebungen mit geringer bis mittlerer Strahlung eingesetzt.

3. Indiumphosphid (InP)-Solarzellen

Vorteile: Bandlückenbreite von 1,35 eV, Strahlungsbeständigkeit vergleichbar mit GaAs und bessere Stabilität in Hochtemperaturumgebungen.

Anwendung: Geeignet für starke Strahlung und Hochtemperaturszenarien wie die Erforschung des Weltraums (z. B. Jupitersonde).

3、Neuer Typ einer strahlungsbeständigen Solarzelle

1. Perowskit-Solarzellen (verbesserte Strahlungsbeständigkeit)

Forschungsrichtung:

Durch das Hinzufügen von Strahlungsschutzschichten (z. B. Metalloxid-Nanopartikel) oder die Optimierung der Kristallstruktur kann die Schädigung des Perowskitgitters durch Strahlung verringert werden.

Derzeit zeigen Labordaten, dass einige modifizierte Perowskitzellen ihre Effizienzabfallrate unter Betastrahlung um mehr als 50 % reduzieren können.

Herausforderung: Die Langzeitstabilität muss noch überprüft werden und wurde noch nicht umfassend angewendet.

2. Solarzellen auf Diamantbasis

Eigenschaften: Die Bandlückenbreite von Diamant beträgt bis zu 5,5 eV und er weist eine extrem hohe Strahlungsbeständigkeit auf (die Strahlungsdosis kann mehr als das Hundertfache der von Silizium erreichen).

Fortschritt: In der theoretischen Forschungs- und Versuchsphase liegt die Hauptschwierigkeit in den hohen Herstellungskosten und der geringen photoelektrischen Umwandlungseffizienz (derzeit etwa 10 %) von Diamantfilmen.

4、Schlüsseltechnologien für die Strahlenschutzgestaltung

Materialoptimierung

Verwendung von Materialien mit hoher Ordnungszahl wie Blei und Wolfram als Batteriesubstrate oder Einkapselungsschichten zur Abschirmung energiereicher Strahlung.

Aufbringen von Antistrahlungsbeschichtungen (z. B. Siliziumdioxid und Siliziumnitrid) auf die Oberfläche von Batterien, um Schäden an der Oberfläche durch Partikelaufprall zu reduzieren.

Strukturelle Verbesserung

Einführung einer „Rückfeldstruktur“: Einführung hochdotierter Bereiche auf der Rückseite der Batterie, um die Ladungsträgersammelfähigkeit zu verbessern und die durch Strahlung verursachte Verkürzung der Lebensdauer von Minderheitsladungsträgern auszugleichen.

Entwerfen Sie „redundante Einheiten“: Durch die Parallel- oder Reihenschaltung mehrerer Batterieeinheiten reduzieren Sie die Auswirkungen der Beschädigung einzelner Einheiten auf die Gesamtleistung.

Standards für Strahlenschutztests

Zu den im Weltraumbereich häufig verwendeten Tests gehören Protonenstrahlung (Energie 1–100 MeV) und Elektronenstrahlung (Energie 0,1–10 MeV), die den „Teststandards für strahlungsbeständige Photovoltaikgeräte“ der NASA und anderen Spezifikationen entsprechen müssen.

5、Typische Anwendungsszenarien

Weltraumforschung: Die Energiesysteme von Satelliten, Mars-Rovern und Weltraumsonden (wie Voyager) müssen der Strahlung kosmischer Strahlung und Sonnenwind standhalten.

Nuklearindustrie: Die Stromversorgung für Überwachungsgeräte rund um Kernkraftwerke muss Gammastrahlen und Neutronenstrahlung standhalten.

Medizinischer Bereich: Tragbare Stromversorgungen für Strahlentherapiegeräte müssen röntgenstrahlenbeständig sein.

zusammenfassen

Die ausgereifteste kommerzielle Anwendung von Anti-Strahlungs-Solarzellen sind derzeit Galliumarsenid (GaAs)-Zellen, die sich besonders für Weltraumszenen eignen; Siliziumbasierte Batterien werden durch verbesserte Prozesse immer noch in Umgebungen mit geringer bis mittlerer Strahlung eingesetzt; Allerdings befinden sich neue Batterietypen wie Perowskit und Diamant noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium und könnten in Zukunft zu alternativen Lösungen für Umgebungen mit hoher Strahlung werden. Bei der Auswahl müssen die Strahlungsart (Partikelstrahlung, elektromagnetische Strahlung), die Dosis und der Leistungsbedarf des Anwendungsszenarios umfassend berücksichtigt werden.