Wyświetlenia: 0 Autor: Edytor witryny Czas publikacji: 2025-06-11 Pochodzenie: Strona
Ogniwa słoneczne zapobiegające promieniowaniu są stosowane głównie w środowiskach o silnym promieniowaniu, takich jak przemysł kosmiczny i nuklearny, i muszą mieć właściwości przeciwpromieniowe, aby utrzymać wydajność wytwarzania energii. Poniżej przedstawiono kilka typowych typów i cech ogniw słonecznych odpornych na promieniowanie:
1, Ogniwa słoneczne na bazie krzemu (wersja ulepszona)
1. Monokrystaliczne krzemowe ogniwa słoneczne
Cechy: Wykonane z monokrystalicznego materiału krzemowego o wysokiej czystości, o pełnej strukturze krystalicznej i dużej odporności na promieniowanie. W środowisku radiacyjnym żywotność nośników mniejszościowych zmniejsza się powoli, a spadek wydajności jest stosunkowo niewielki.
Zastosowanie: Główne źródło zasilania wczesnych satelitów kosmicznych, takich jak satelity serii American Explorer.
Kierunek ulepszeń: Dalsze zwiększanie odporności na promieniowanie poprzez optymalizację procesów domieszkowania (takich jak domieszkowanie fosforem) lub technik pasywacji powierzchni.
2. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne krzemowe
Cechy: Mała grubość (na poziomie mikrometrów), niskie straty energii podczas penetracji promieniowania i niska gęstość defektów w strukturze cienkowarstwowej, redukując stany pułapek wywołanych promieniowaniem.
Zastosowanie: Elastyczne panele słoneczne, które można wykorzystać w statkach kosmicznych, np. jako niektóre pomocnicze źródła zasilania Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
2. Złożone półprzewodnikowe ogniwo słoneczne
1. Ogniwa słoneczne z arsenku galu (GaAs).
Podstawowe zalety:
Szerokość pasma wzbronionego jest umiarkowana (1,42 eV), a w środowisku radiacyjnym szybkość rekombinacji nośnika jest niska, co skutkuje lepszą stabilnością działania niż ogniwa krzemowe.
Odporność na promieniowanie jest 3-5 razy większa niż w przypadku akumulatorów krzemowych, szczególnie w przypadku promieniowania cząstek o wysokiej energii (takich jak protony i elektrony), spadek wydajności jest wolniejszy.
Zastosowanie: Powszechnie stosowane kosmiczne ogniwa słoneczne, takie jak systemy zasilania sond marsjańskich i satelitów komunikacyjnych (takich jak satelity GPS).
Typ instrumentu pochodnego:
Bateria GaAs z potrójnym złączem: Dzięki zastosowaniu struktury piętrowej (połączenie materiałów o różnych szerokościach pasma wzbronionego) może nadal utrzymywać wysoką wydajność konwersji w warunkach promieniowania (wydajność laboratoryjna może sięgać ponad 30%).
2. Ogniwa słoneczne z tellurku kadmu (CdTe).
Cechy: szerokość pasma wzbronionego 1,44 eV, podobna do GaAs, dobra odporność na promieniowanie i niższy koszt niż GaAs.
Ograniczenia: Mechanizm uszkodzeń radiacyjnych CdTe jest stosunkowo złożony, a pogorszenie jego wydajności pod wpływem długotrwałego silnego promieniowania jest nieco większe niż w przypadku GaA. Obecnie jest on używany głównie w środowiskach o niskim i średnim promieniowaniu.
3. Ogniwa słoneczne z fosforkiem indu (InP).
Zalety: szerokość pasma wzbronionego 1,35 eV, odporność na promieniowanie porównywalna z GaAs i lepsza stabilność w środowiskach o wysokiej temperaturze.
Zastosowanie: Nadaje się do scenariuszy silnego promieniowania i wysokich temperatur, takich jak eksploracja głębokiego kosmosu (np. Sonda Jowisza).
3. Nowy typ ogniwa słonecznego odpornego na promieniowanie
1. Perowskitowe ogniwa słoneczne (zwiększona odporność na promieniowanie)
Kierunek badań:
Dodając warstwy chroniące przed promieniowaniem (takie jak nanocząsteczki tlenku metalu) lub optymalizując strukturę kryształu, można zmniejszyć uszkodzenia siatki perowskitu pod wpływem promieniowania.
Obecnie dane laboratoryjne pokazują, że niektóre modyfikowane ogniwa perowskitowe mogą zmniejszyć tempo spadku wydajności o ponad 50% pod wpływem promieniowania beta.
Wyzwanie: Stabilność długoterminowa nadal wymaga weryfikacji i nie została jeszcze szeroko zastosowana.
2. Ogniwa słoneczne na bazie diamentu
Charakterystyka: Szerokość pasma wzbronionego diamentu wynosi aż 5,5 eV i ma wyjątkowo dużą odporność na promieniowanie (dawka promieniowania może sięgać ponad 100 razy więcej niż w przypadku krzemu).
Postęp: Na etapie badań teoretycznych i eksperymentów główną trudnością są wysokie koszty przygotowania i niska wydajność konwersji fotoelektrycznej (obecnie około 10%) folii diamentowych.
4, Kluczowe technologie projektowania ochrony przed promieniowaniem
Optymalizacja materiału
Stosowanie materiałów o wysokiej liczbie atomowej, takich jak ołów i wolfram, jako podłoża akumulatorów lub warstw hermetyzujących w celu ochrony przed promieniowaniem wysokoenergetycznym.
Osadzanie powłok antyradiacyjnych (takich jak dwutlenek krzemu i azotek krzemu) na powierzchni akumulatorów w celu zmniejszenia uszkodzeń powierzchni spowodowanych uderzeniami cząstek.
Poprawa strukturalna
Przyjęcie „struktury tylnego pola”: wprowadzenie silnie domieszkowanych obszarów z tyłu akumulatora w celu zwiększenia możliwości gromadzenia nośników i skompensowania skrócenia czasu życia nośników mniejszościowych spowodowanego promieniowaniem.
Projektowanie „jednostek nadmiarowych”: poprzez równoległe lub szeregowe połączenie wielu jednostek akumulatorowych można zmniejszyć wpływ uszkodzeń poszczególnych jednostek na ogólną wydajność.
Normy badań antyradiacyjnych
Powszechnie stosowane testy w przestrzeni kosmicznej obejmują promieniowanie protonowe (energia 1–100 MeV) i promieniowanie elektronowe (energia 0,1–10 MeV), które muszą spełniać „Standardy testowania urządzeń fotowoltaicznych odpornych na promieniowanie” NASA i inne specyfikacje.
5, Typowe scenariusze zastosowań
Eksploracja kosmosu: Systemy zasilania satelitów, łazików marsjańskich i sond kosmicznych (takich jak Voyager) muszą być odporne na promieniowanie promieni kosmicznych i wiatru słonecznego.
Przemysł nuklearny: zasilacze do urządzeń monitorujących w elektrowniach jądrowych muszą być odporne na promieniowanie gamma i neutronowe.
Dziedzina medycyny: Przenośne zasilacze do sprzętu do radioterapii muszą być odporne na promieniowanie rentgenowskie.
streszczać
Najbardziej dojrzałym komercyjnym zastosowaniem ogniw słonecznych przeciw promieniowaniu są obecnie ogniwa z arsenku galu (GaAs), szczególnie odpowiednie do scen kosmicznych; Dzięki udoskonalonym procesom akumulatory na bazie krzemu są nadal używane w środowiskach o niskim i średnim promieniowaniu; Jednakże nowe typy akumulatorów, takie jak perowskit i diament, znajdują się wciąż na etapie badań i rozwoju i mogą w przyszłości stać się alternatywnymi rozwiązaniami dla środowisk o wysokim poziomie promieniowania. Przy wyborze należy kompleksowo wziąć pod uwagę rodzaj promieniowania (promieniowanie cząsteczkowe, promieniowanie elektromagnetyczne), dawkę i wymagania dotyczące mocy scenariusza zastosowania.
