Bessere Solarzellen im All – neue Impulse auch für „irdische“ Anwendungen
Ultradünne Solarzellen gelten als kostengünstige, flexible und effiziente Möglichkeit, um Solarenergie zu gewinnen. Nur mit der Stabilität ist es nicht zum Besten bestellt. Jetzt optimieren Forschende Zellen für Satelliten – und damit auch für klassische Einsatzbereiche.
Ein neues Design führt zu Solarzellen, die stabiler gegenüber der kosmischen Strahlung sind – etwa für Satelliten.
Foto: Panthermedia.net/cookelma
Die meisten Weltraumsatelliten werden mit photovoltaischen Zellen betrieben, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Bestimmte Arten von hochenergetischer Strahlung in der Erdumlaufbahn können die Zellen jedoch beschädigen, ihre Leistung beeinträchtigen und ihre Lebensdauer stark verkürzen.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Cambridge empfehlen deshalb ein strahlungstolerantes Photovoltaikzellen-Design, das eine ultradünne Schicht aus Licht absorbierendem Material enthält. Damit sollen Module zur Energiegewinnung stabiler werden – im All und auf der Erde.
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Solarzellen: Schäden durch ionisierende Strahlung im Weltraum
Zum Hintergrund: Die kosmische Strahlung kommt von der Sonne selbst, von anderen Sonnen und von fernen Galaxien. Sie besteht vorwiegend aus Protonen (Wasserstoffkernen), aber auch aus Elektronen und aus vollständig ionisierten Atomen.
Wenn Solarzellen Licht absorbieren, übertragen sie Energie auf Elektronen im Material. Diese negativen Ladungsträger werden freigesetzt und erzeugen einen Stromfluss durch die Solarzelle. Die Bestrahlung im Weltraum verursacht Schäden und senkt den Wirkungsgrad, indem sie die Atome im Solarzellenmaterial ionisiert und die Lebensdauer der Ladungsträger verringert.
Da die niedrige Erdumlaufbahn immer stärker mit Satelliten überfüllt ist, wird es zunehmend wichtiger, mittlere Erdumlaufbahnen zu nutzen, wie die Molniya-Umlaufbahn, die durch das Zentrum des Protonenstrahlungsgürtels der Erde verläuft. Für diese höheren Umlaufbahnen benötigen Ingenieurinnen und Ingenieure strahlungstolerante Zellen.
Eine weitere Anwendung ist die Erforschung anderer Planeten und Monde. Europa, ein Mond des Jupiters, gehört beispielsweise zu den am stärksten bestrahlten Planeten im Sonnensystem. Für die Landung eines solarbetriebenen Orbiters auf Europa eignen sich viele kommerziell erhältliche Solarzellen nicht.
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Zwei neue Designs für strahlungstolerante Solarzellen
Auf der Suche nach Lösungen bauten die Forscherinnen und Forscher zwei Arten von Solarzellen mit dem Halbleiter Galliumarsenid. Bei der ersten Variante handelt es sich um ein On-Chip-Design, bei dem mehrere Substanzen in einem Stapel übereinandergeschichtet werden. Bei der anderen Konstruktion wurde eine mit Silber verspiegelte Rückseite zur Verbesserung der Lichtabsorption entwickelt.
Um die Auswirkungen ionisierender Strahlung im Weltraum zu imitieren, haben sie die Geräte mit Protonen beschossen, die in der Dalton Cumbrian Nuclear Facility in Großbritannien erzeugt wurden. Die Leistung photovoltaischer Systeme wurde vor und nach der Bestrahlung mit einer als Kathodolumineszenz bekannten Technik untersucht, um das Ausmaß der Strahlenschäden zu bestimmen. Dabei trifft ein Elektronenstrahl auf die zu analysierende Oberfläche, um Strukturen – respektive Schäden – darzustellen.
Außerdem haben die Ingenieurinnen und Ingenieure Tests mit einem kompakten Sonnensimulator durchgeführt, um festzustellen, wie gut die Geräte Sonnenlicht in Strom umwandeln, nachdem sie mit Protonen beschossen wurden. Sonnensimulatoren erzeugen Licht, das hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung das Sonnenlicht möglichst genau abbildet: eine Möglichkeit, um auf Experimente im Freiland zu verzichten.
„Unsere ultradünne Solarzelle übertrifft die zuvor untersuchten, dickeren Zellen bei Protonenstrahlung oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes“, sagt Armin Barthel von der Universität Cambridge. „Die ultradünnen Geometrien haben im Vergleich zu früher untersuchten Zellen eine um zwei Größenordnungen bessere Leistung.“ Wie kann das sein? Barthel und seine Kolleginnen beziehungsweise Kollegen vermuten, dass die guten Eigenschaften ihrer ultradünnen Zellen darauf zurückzuführen sei, dass die Ladungsträger lange genug stabil bleiben, um zwischen den Anschlüssen im Bauelement zu wandern.
Im Vergleich zu dickeren Zellen wird für die ultradünnen Zellen fast 3,5-mal weniger Glas als schützende Abdeckung benötigt, um nach 20 Jahren Betriebszeit die gleiche Leistung zu erbringen. Dies führt zu einer geringeren Belastung und einer erheblichen Senkung der Startkosten bei Satelliten.
Lehren für Solarzellen auf der Erde
Doch auch jenseits kosmischer Anwendungen könnte die neue Technologie zum Einsatz kommen. Zwar treffen auf die äußere Erdatmosphäre etwa 1.000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Allerdings kommt es dann zu Wechselwirkungen mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre. Bei diesen Interaktionen entstehen Teilchenschauer mit einer großen Anzahl von Sekundärteilchen. Nur ein Bruchteil gelangt bis auf die Erdoberfläche.
Die Intensität der kosmischen Strahlung nimmt aber umso mehr zu, je höher sich beispielsweise ein Haus oder eine Forschungsstation befindet. Auch beim Fliegen spielt die Höhenstrahlung eine Rolle. Experimentelle Solarflugzeuge eignen sich besonders für großen Höhen, wo die Sonneneinstrahlung kaum durch Verunreinigungen der Erdatmosphäre geschluckt wird. Hier könnten neue, innovative Solarzellen ihre Stärken ausspielen.
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