Революция в космосе: новый тип солнечных панелей лечит себя за счет радиации

Использование солнечной энергии в космическом пространстве всегда сопровождалось одной фундаментальной проблемой: радиационная деградация. Частицы высоких энергий постепенно разрушают кристаллическую решетку фотоэлектрических элементов, что приводит к необратимому снижению их эффективности. И действительно, космическая среда крайне агрессивна по отношению к сложной технике. Основная угроза для спутников и орбитальных станций — не вакуум или перепады температур, а ионизирующее излучение. Радиационные пояса Земли, наполненные протонами и электронами высоких энергий, действуют как постоянный абразив, разрушающий структуру материалов.

Самым уязвимым элементом любой космической миссии остаются солнечные батареи. Хотя именно их способность вырабатывать электричество определяет срок службы устройства. Сегодня эта технология решает проблему в лоб: создаются сверхэффективные, но хрупкие фотоэлектрические элементы, которые затем покрываются толстым слоем защитного стекла. Это увеличивает вес спутника и стоимость его запуска.

Исследование, проведенное в 2025 году физиками из Университета Толедо и опубликованное в научном журнале Solar RRL, предлагает альтернативный подход. Ученые находят, что класс материалов, известный как халькогениды сурьмы, обладает свойством «радиационной стойкости». Эти соединения способны сохранять свою функциональность при интенсивном облучении и даже регенерировать свою структуру без внешнего вмешательства.

Физика деградации: что происходит с электроникой в ​​космосе

Давайте разберемся в механизме старения солнечных панелей. Современные космические батареи изготавливаются из материалов III-V групп (например, арсенида галлия). Они представляют собой монокристаллические структуры с идеально упорядоченной атомной решеткой. Именно такое расположение обеспечивает их высокую эффективность – способность преобразовывать до 30% солнечного света в электричество.

Однако идеальный порядок также является их слабостью. Когда частица высокой энергии (например, протон) врезается в кристалл, происходит процесс, который физики называют «атомным смещением». Частица выталкивает атомы со своих мест в решетке, создавая вакансии и междоузлия.

Эти дефекты на субатомном уровне действуют как ловушки для носителей заряда.. Электрон, толкаемый фотоном света, должен двигаться к электроду, создавая ток. Но если на его пути встает радиационный дефект, электрон застревает в нем и рекомбинирует — его энергия рассеивается в виде тепла, а не электричества. Чем дольше спутник остается на орбите, тем больше таких дефектов накапливается и тем больше снижается мощность энергосистемы.

Опыт с халькогенидом сурьмы

В поисках решения исследователи обратились к тонкопленочным материалам — сульфиду сурьмы (Sb₂S₃) и селениду сурьмы (Sb₂Se₃). Это поликристаллические полупроводники, которые характеризуются легкостью синтеза и низкой себестоимостью производства. Раньше их рассматривали в основном для наземного применения, но их потенциал для космоса оставался неисследованным.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые смоделировали условия сильного космического излучения. Образцы солнечных элементов, помещенные в вакуумную камеру, бомбардировались потоками протонов с энергиями 100 и 300 килоэлектронвольт (кэВ). Плотность потока (флюенс) варьируется от 10¹¹¹ до 10¹⁴ протонов на квадратный сантиметр. Максимальные значения в этом эксперименте соответствуют накопленной дозе радиации, которую спутник получил бы за десятилетия работы на низкой околоземной орбите.

В то время как стандартные кремниевые или сложные многопереходные элементы теряют большую часть своей мощности при таких нагрузках, элементы на основе сурьмы демонстрируют высокую стабильность.

Даже после получения критических доз радиации (эквивалентных дозе отклонения 10¹³ МэВ/г) испытуемые образцы сохраняют свои ключевые характеристики – напряжение холостого хода и коэффициент заполнения – выше 80% от исходных значений.

Термодинамическое самовосстановление

Анализ физических процессов показал, что стабильность халькогенидов сурьмы обусловлена ​​специфической реакцией материала на облучение.

Когда протон проходит через вещество, он теряет энергию двумя способами:

1. Неионизирующие потери (IEL): протон сталкивается с ядрами атомов, смещая их и разрушая решетку. Это негативный процесс.
2. Ионизационные потери (IEL): протон взаимодействует с электронными оболочками атомов, передавая им энергию.

В большинстве материалов ионизация не приводит к восстановлению структуры. Однако халькогениды сурьмы имеют низкую энергию образования дефектов и высокую подвижность атомов при возбуждении. Энергия, передаваемая материалу при ионизации, преобразуется в тепловые колебания кристаллической решетки (фононы).

Этот локальный нагрев вызывает процесс, известный как «отжиг». Атомы, вытесненные ударами протонов, получают достаточно энергии, чтобы вернуться в стабильное положение. На практике радиация не только наносит ущерб, но и поставляет энергию для его восстановления. Скорость самовосстановления этих материалов оказывается сравнимой со скоростью деградации, что гарантирует стабильность устройства.

Инженерные последствия и проблема веса

Открытие радиационной стойкости Sb₂S₃ дает возможность переосмыслить конструкцию спутников. В настоящее время для защиты солнечных элементов используется специальное радиационно-стойкое стекло с добавлением церия. Толщина этого стекла (от 100 до 500 микрометров) напрямую зависит от ожидаемого уровня радиации на орбите.

Стекло – это мертвый груз. Он не генерирует мощность, но увеличивает массу автомобиля. В космической отрасли, где стоимость вывода одного килограмма груза на орбиту составляет тысячи долларов, снижение веса является главным приоритетом.

Компьютерное моделирование, проведенное авторами исследования, показывает, что на орбите на высоте 5000 км (зона повышенной радиации) халькогенидные элементы сурьмы могут работать практически без защитного стекла. За год работы их эффективность снизится менее чем на 5%. Для сравнения: традиционные элементы без защиты в тех же условиях потеряют более 40% своей мощности.

Использование тонких пленок на основе сурьмы позволяет создавать гибкие солнечные панели, которые можно свернуть при запуске и развернуть на орбите. Это открывает путь к электростанциям с высокой удельной мощностью (ватт на килограмм веса).

Главное препятствие: эффективность

Несмотря на очевидные преимущества с точки зрения надежности и стоимости, технология пока не готова к массовому внедрению из-за одного существенного недостатка: низкий начальный КПД.

Лучшие лабораторные образцы элементов на основе Sb₂S₃ показывают эффективность преобразования света около 10,6%. Это в три раза ниже, чем у современных многокомпонентных элементов, используемых сегодня (30-32%). Даже с учетом деградации обычных панелей их остаточная мощность в абсолютном выражении все равно выше, чем у стабильных, но менее эффективных сурьмяных элементов.

Однако здесь вмешивается экономический фактор. Халькогениды сурьмы состоят из доступных и недорогих элементов, и их получение не требует сложнейших технологий эпитаксиального выращивания кристаллов. Это делает их кандидатами для развертывания крупномасштабных группировок небольших спутников, где стоимость каждого инструмента вызывает беспокойство.

Перспективы технологий

Вместо того, чтобы пытаться защитить хрупкую электронику Земли от космоса с помощью брони, инженеры ищут материалы, устойчивые к суровым радиационным условиям.

Сейчас исследователи сосредоточили свои усилия на повышении базовой эффективности халькогенидных клеток. Рассматриваются различные стратегии:

1. Легирование: введение примеси селена позволяет изменять ширину запрещенной зоны материала, оптимизируя его для поглощения солнечного спектра.
2. Тандемные конструкции: создание многослойных ячеек, в которых в качестве верхнего слоя с широкой запрещенной зоной используются халькогениды сурьмы в сочетании с кремнием или другими материалами.

Если эффективность этих элементов увеличится до 15-18%, сочетание радиационной стойкости и малого веса сделает их незаменимым выбором для длительных миссий в радиационных поясах Земли или для миссий к планетам-гигантам с мощной магнитосферой. Технология доказывает, что в экстремальных условиях надежность и самовосстановление становятся важнее максимальной производительности. Это новая технология, у которой явно есть будущее.