Des cellules solaires près de Jupiter

Une équipe de l’Iramis a modélisé le fonctionnement de cellules photovoltaïques dans l’environnement de la future mission d’exploration jovienne « Juice ».

Celles-ci seront soumises à une irradiation intense d’électrons et de protons en raison du champ magnétique géant de Jupiter qui attire les particules de haute énergie.

La maitrise du vieillissement des cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs est un enjeu important du fait de leur coût. Pour les missions spatiales lointaines, l’enjeu est encore plus important puisque c’est de la fiabilité et de la robustesse des performances de cette source d’énergie embarquée que dépend le succès de la mission.

Les chercheurs de l’IRAMIS-LSI ont ainsi étudiés les performances de cellules photovoltaïque triple jonction GaInP/GaIn/Ge destinées à alimenter la sonde de la mission JUICE/Laplace (JUpiter ICy moon Explorer) qui sera lancée en 2022, pour être placée en orbite autour de Ganymède, satellite de Jupiter. Les performances des cellules et leur vieillissement sous irradiation, dans les conditions similaires à celles qui seront rencontrées au cours de la mission, ont plus particulièrement été étudiés et modélisés.

Grâce à l’accélérateur d’électrons Sirius, ils ont pu étudier le vieillissement sous irradiation de ces cellules. Ils ont obtenu une modélisation fiable permettant de prédire l’efficacité des cellules dans le domaine de doses que recevra la sonde. Ces travaux se poursuivent par une étude en température de 100 Kelvin à 300K (entre -173°C et +27°C environ), ainsi qu’une extension de la modélisation à des conditions de fonctionnement plus variées.

Ces résultats ont été obtenus en collaboration avec l’Estec (European Space Research and Technology Center) à Noordwijk (Pays-Bas), et AzurSpace Solar Power GmbH, à Heilbronn (Allemagne), qui a fabriqué les cellules.

La mission JUICE/Laplace, prévue en 2022, par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a pour objectif d’explorer l’atmosphère de Jupiter et ses lunes glacées, en mettant une sonde en orbite autour de sa lune la plus importante : Ganymède. Du fait de sa distance au soleil (5.2 unités astronomiques, soit 800 millions de km), de la faible intensité du rayonnement solaire (0.037 AM0) et des basses températures (120 K), l’orbite de Jupiter est une limite de faisabilité pour les sondes spatiales, alimentée par l’énergie photovoltaïque et l’ESA souhaite donc par des études poussées maitriser et améliorer le comportement des cellules dans cet environnement hostile. La principale problématique vient de la dégradation provoquée par le bombardement continu par des particules de haute énergie (électron et protons), attirés par le champ magnétique géant de Jupiter.

Les cellules solaires utilisées dans la majorité des applications spatiales sont des jonctions triple (TJ) GaInP/GaIn/Ge. L’irradiation de ces cellules engendre des déplacements atomiques dans les différents matériaux composant la TJ.

Les défauts ponctuels résultant de ces déplacements piègent les porteurs de charge électriques minoritaires produits par l’éclairement, ce qui réduit l’efficacité de collection des charges dans la jonction, et altère les caractéristiques électriques des cellules (puissance maximale Pm, courant de court-circuit JSC et tension en circuit ouvert VOC).

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