Majoritatea dispozitivelor trimise în sistemul solar, precum sondele Voyager și New Horizons, sunt alimentate de generatoare termoelectrice radioizotopice costisitoare. În schimb, misiunea Lucy a companiei NASA, care va avea loc în data de 16 octombrie 2021, va presupune utilizarea a 2 panouri solare, fiecare dintre ele având un diametru de 6 metri. Dispozitivul va călători dincolo de orbita lui Jupiter. Acest lucru va reprezenta un record în ceea ce privește distanța la care se va afla un dispozitiv echipat cu panouri solare față de Soare. În prezent, acest record este deținut de către misiunea Juno, care se află pe orbita lui Jupiter.
„Cerințele extreme de energie sunt motivul pentru care rețeaua solară este atât de extinsă și uimitoare”, a declarat Katie Oakman, conducătorul de proiect în cadrul structurilor și mecanismelor navei spațiale Lucy.
Acest lucru a însemnat orientarea cercetării fotovoltatice într-o direcție diferită față de cercetările care s-au concentrat pe dezvoltarea energiei solare pe Pământ. În timp ce celulele fotovoltaice accesibile cu siliciu produc energie verde pe Pământ, dispozitivele din spațiu trebuie să se bazeze pe alte tipuri de panouri solare.
Condițiile variază, iar domeniul tehnologiei fotovoltaice spațiale se confruntă cu o serie de provocări. Chiar și pe orbita Pământului, sateliții operează în afara atmosferei protectoare. Aceasta înseamnă că panourile solare spațiale se confruntă cu schimbări drastice de temperatură. În plus, lumina soarelui este diferită în spațiu: de exemplu, aceasta conține un procent mai mare de radiații ultraviolete decât pe Pământ.
O altă problemă din spațiu este reprezentată de către radiațiile ionizante. Panourile solare aflate pe orbita Pământului pot fi supuse centurilor Van Allen, iar panourile solare din alte zone ar putea avea nevoie de implementarea unor sisteme, care să le ajute să reziste la vânturile solare produse de către Soare. În timp, o astfel de radiație scade eficiența celulelor solare. O celulă solară, care aflată pe orbita geosincronă a Pământului timp de 15 ani, la o altitudine de aproximativ 36.000 de kilometri, va suferi o scădere a eficienței de aproximativ 80%.
Sateliții lansați în anii 1950 și 1960 foloseau celule fotovoltaice din siliciu. Totuși, proiectanții au început să se concentreze pe așa-numitele celule solare multi-joncțiune (MJ) III-V, confecționate din diferite straturi de materiale, care absorb lungimi de undă diferite. Celulele MJ sunt mai eficiente, mai rezistente în condițiile din spațiu și mai ușoare.
„Celulele solare III-V au început să fie folosite în industria spațială datorită acestor proprietăți”, a declarat Ryan France, un om de știință în cadrul Laboratorul Național pentru Energii Regenerabile (NREL) din Golden, Colorado.
În ultimele decenii, NREL a fost pionierul celulelor MJ III-V și, recent, cercetătorii din cadrul acestuia au obținut o eficiență de 50% a celulelor MJ. Majoritatea celulelor MJ sunt alcătuite din trei straturi. Totuși, în anul 2020, cercetătorii din cadrul NREL au prezentat o celulă cu șase joncțiuni, care a atins o eficiență de 47% sub lumină solară concentrată, aceasta fiind superioară eficienței celulelor fotovoltaice din siliciu.
Cu toate acestea, pe Pământ, celulele MJ se confruntă cu un obstacol economic: costul redus al celulelor fotovoltaice din siliciu și dominația copleșitoare a acestora pe piață îngreunează comercializarea celulelor MJ. Față de anul 1980, prețurile celulelor de siliciu au scăzut de șaizeci de ori.
În prezent, celulele MJ sunt utilizate, în mare măsură, în domeniul energiei solare concentrate, care utilizează oglinzi sau lentile pentru a focaliza și a intensifica lumina Soarelui pe panoul solar. Acest lucru generează eficiențe foarte ridicate. Totuși, în afara mediului de laborator, celulele MJ nu au reușit să concureze cu panourile cu celule fotovoltaice din siliciu mai accesibile.
În prezent, cercetătorii din cadrul NREL și-au îndreptat atenția către reducerea costurilor celulelor MJ. „Cu cât reducem mai mult costurile, cu atât vom avea o piață de deschidere mai mare”, a declarat France.
„Dacă vrem să continuăm să trimitem nave spațiale în sistemul solar exterior, atunci cred că există tot felul de oportunități de a folosi acest tip de design în viitor”, a declarat Oakman.