Was sind die Solarzellen, die Strahlung verhindern können?

Anti -Strahlungs -Solarzellen werden hauptsächlich in starken Strahlungsumgebungen wie Weltraum und Kernindustrie eingesetzt und müssen eine Anti -Strahlungsleistung haben, um die Effizienz der Stromerzeugung aufrechtzuerhalten. Im Folgenden finden Sie mehrere häufige Arten und Eigenschaften von strahlungsresistenten Solarzellen:

1 、 Solarzellen auf Siliziumbasis (verbesserte Version)

1. Einkristall -Silizium -Solarzellen

Merkmale: Hergestellt aus monokristallinem Siliziummaterial mit hoher Purity, mit einer vollständigen Kristallstruktur und einer starken Strahlungsbeständigkeit. In einer Strahlungsumgebung nimmt die Lebensdauer von Minderheitenträgern langsam ab und die Leistungsverschlechterung ist relativ gering.

Anwendung: Die Hauptstromquelle für frühe Space -Satelliten, wie die Satelliten der American Explorer Series.

Verbesserungsrichtung: Verbesserung der Strahlungswiderstand durch Optimierung von Dotierungsprozessen (wie Phosphor -Doping) oder Oberflächen -Passivierungstechniken weiter.

2. Solarzellen mit Siliziumdünnfilm

Merkmale: Dünne Dicke (Mikrometerspiegel), niedriger Energieverlust während der Strahlungsdurchdringung und eine geringe Defektdichte in der Dünnschichtstruktur, wodurch die durch Strahlung induzierte Trap-Zustände reduziert werden.

Anwendung: Flexible Sonnenkollektoren, die für Raumschiffe verwendet werden können, wie einige Hilfsstromquellen für die internationale Raumstation.

2 、 Verbund -Halbleiter -Sonnenzelle

1. Solarzellen Gallium Arsenid (GAAs)

Kernvorteile:

Die Bandgap -Breite ist mäßig (1,42 eV), und in einer Strahlungsumgebung ist die Trägerrekombinationsrate niedrig, was zu einer besseren Leistungsstabilität führt als Siliziumzellen.

Der Strahlungswiderstand beträgt das 3-5-fache der von Siliziumbatterien, insbesondere unter energiereicher Partikelstrahlung (wie Protonen und Elektronen), der Effizienzverfall ist langsamer.

Anwendung: Mainstream -Space -Solarzellen wie Stromversorgungssysteme für Mars -Sonden und Kommunikationssatelliten (wie GPS -Satelliten).

Derivatart:

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

2. Cadmium Tellurid (CDTE) Solarzellen

Merkmale: Bandgap -Breite von 1,44 eV, ähnlich wie GaAs, gute Strahlungswiderstand und niedrigere Kosten als GaAs.

Einschränkungen: Der Strahlungsschadensmechanismus von CDTE ist relativ komplex und sein Leistungsabbau unter langfristiger starker Strahlung ist geringfügig höher als die von GaAs. Derzeit wird es hauptsächlich in Umgebungen mit niedriger bis mittlerer Strahlung verwendet.

3. Indiumphosphid (INP) Solarzellen

Vorteile: Bandgap-Breite von 1,35 EV, Strahlungswiderstand vergleichbar mit GaAs und bessere Stabilität in Hochtemperaturumgebungen.

Anwendung: Geeignet für starke Strahlungs- und Hochtemperaturszenarien wie die Erforschung der Deep Space (wie die Jupiter -Sonde).

3 、 Neue Art von strahlungsresistenten Solarzelle

1. Perovskit -Solarzellen (verbesserter Strahlungsresistenz)

Forschungsrichtung:

Durch Zugabe von Strahlungsschutzschichten (z. B. Metalloxid -Nanopartikeln) oder Optimierung der Kristallstruktur kann die Schädigung der Strahlung am Perovskitgitter verringert werden.

Derzeit zeigen Labordaten, dass einige modifizierte Perovskitzellen ihre Effizienzabfallrate unter Beta -Strahlung um mehr als 50% senken können.

Herausforderung: Langfristige Stabilität muss noch überprüft werden und wurde noch nicht weit verbreitet.

2. Solarzellen auf Diamantbasis

Merkmale: Die Bandgap -Breite des Diamanten ist bis zu 5,5 eV und hat extrem starke Strahlungswiderstand (die Strahlendosis kann mehr als das 100 -fache des Siliziums erreichen).

Fortschritt: In der theoretischen Forschung und experimentellen Phase liegt die Hauptschwierigkeit in den hohen Vorbereitungskosten und der niedrigen photoelektrischen Umwandlungseffizienz (derzeit etwa 10%) der Diamantfilme.

4 、 Schlüsseltechnologien zum Strahlenschutzdesign

Materialoptimierung

Verwenden von Materialien mit hoher Atomzahl wie Blei und Wolfram als Batteriesubstrate oder Einkapselungsschichten, um eine hohe Energiestrahlung abzuschirmen.

Ablagerung von Anti -Strahlungsbeschichtungen (wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid) auf der Oberfläche von Batterien, um die Schädigung der Partikelwirkung auf der Oberfläche zu verringern.

Strukturelle Verbesserung

Einführung einer 'Rückfeldstruktur ': Einführung hochdotierter Regionen auf der Rückseite der Batterie, um die Kapazitätsfunktion der Träger zu verbessern und die durch Strahlung verursachte Lebensdauer der Minderheitsträger zu kompensieren.

Design 'redundante Einheiten ': Reduzieren Sie parallel oder Serien, die mehrere Batterieeinheiten verbinden, die Auswirkungen der Beschädigung der einzelnen Einheiten auf die Gesamtleistung.

Anti -Strahlungsteststandards

Zu den häufig verwendeten Tests im Raumfeld gehören Protonenstrahlung (Energie 1-100 MeV) und Elektronenstrahlung (Energie 0,1-10 MeV), die den 'strahlungsbeständigen Photovoltaik-Teststandards der NASA und anderen Spezifikationen erfüllen müssen.

5 、 Typische Anwendungsszenarien

Weltraumforschung: Die Stromversorgungssysteme von Satelliten, Mars Rovers und Deep Space Probes (wie Voyager) müssen der Strahlung kosmischer Strahlen und Sonnenwind widerstehen.

Nuklearindustrie: Die Stromversorgung für die Überwachung von Geräten rund um Kernkraftwerke muss Gammastrahlen und Neutronenstrahlung standhalten.

Medizinisches Feld: Tragbare Stromversorgungen für Strahlentherapiegeräte müssen Röntgenresistenz haben.

zusammenfassen

Die ausgereiftste kommerzielle Anwendung von Anti -Strahlungs -Solarzellen sind derzeit Galliumarsenidzellen (GAAs), insbesondere für Weltraumszenen. Siliziumbasierte Batterien werden in niedrigen bis mittleren Strahlungsumgebungen durch verbesserte Prozesse immer noch verwendet. Neue Arten von Batterien wie Perovskite und Diamond befinden sich jedoch noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase und können in Zukunft zu alternativen Lösungen für Hochstrahlungsumgebungen werden. Bei der Auswahl ist es notwendig, den Strahlentyp (Partikelstrahlung, elektromagnetische Strahlung), Dosis und Leistungsanforderungen des Anwendungsszenario umfassend zu berücksichtigen.