Nye solceller ankommer til den internationale rumstation til test

Fem forskellige typer solceller fremstillet af forskerhold ved Georgia Institute of Technology er ankommet til den internationale rumstation (ISS) for at blive testet for deres strømkonverteringshastighed og evne til at fungere i det barske rummiljø som en del af MISSE-12 mission. En type celle, lavet af billige organiske materialer, er ikke blevet grundigt testet i rummet før.

Teksturerede carbon nanorør-baserede fotovoltaiske celler designet til at fange lys fra enhver vinkel vil blive evalueret for deres evne til effektivt at producere strøm uanset deres orientering mod solen. Andre celler fremstillet af perovskitmaterialer og et billigt kobber-zink-tin-sulfid (CZTS) materiale - sammen med en kontrolgruppe af traditionelle siliciumbaserede celler - vil være blandt de 20 fotovoltaiske (PV) enheder placeret på Materials International Space Station Experiment Flight Facility på ydersiden af ​​ISS til en seks-måneders evaluering. For to af cellerne, opsendelsen markerede deres anden tur ud i rummet.

"Forskningsspørgsmålene er de samme for alle solcelleceller:Kan disse fotoabsorbere bruges effektivt i rummet?" sagde Jud Ready, ledende forskningsingeniør i Georgia Tech Research Institute (GTRI), associeret direktør for Georgia Tech's Center for Space Technology and Research, og vicedirektør for Georgia Tech's Institute for Materials. "Med denne test, vi vil få indsigt i disse materialers nedbrydningsmekanismer og være i stand til at sammenligne deres energiproduktion under forskellige forhold."

Organiske solceller udviklet i professor Bernard Kippelens laboratorium ved Georgia Tech behandles ved lave temperaturer ved hjælp af opløsningsbaserede processer over store områder for at producere celler med en absorber, der kan være omkring 200 gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår.

"Med en meget lav vægt og effektkonverteringseffektivitetsværdier på op til 16 %, organiske solceller kunne give effektværdier i hundredtusindvis af watt pr. kilogram aktivt materiale, hvilket er meget attraktivt til rumapplikationer, sagde Kippelen, Joseph M. Pettit professor ved School of Electrical and Computer Engineering. "Imidlertid, virkningerne af kontinuerlig eksponering af disse enheder i et rummiljø er ikke blevet grundigt undersøgt. Vores interesse er at undersøge robustheden af ​​de grænseflader, der dannes i disse enheder i et rummiljø, samt at forbedre vores forståelse af nedbrydningsmekanismerne for organiske solceller i rummet."

Traditionelle flade solceller er mest effektive, når sollys er direkte over hovedet. Fordi retningen af ​​solfluxen varierer med kredsløbet, store rumfartøjer som ISS bruger mekaniske pegemekanismer for at holde cellerne korrekt rettet. Disse komplekse mekanismer skaber vedligeholdelsesproblemer, imidlertid, og er for tunge til brug på meget små rumfartøjer såsom CubeSats.

For at overvinde pegeproblemet, Readys team udviklede 3D-teksturerede solceller, der effektivt kan fange sollys, der kommer fra forskellige vinkler. Cellerne bruger "tårne" lavet af kulstof nanorør og dækket med PV-materiale til at fange lys, der ville prelle af standardceller, når de ikke er vinklet mod solen.

"Med vores lysfangende struktur, vi er agnostiske over for solvinklen, " sagde Ready. "Vores celler fungerer faktisk bedre til at se vinkler. På CubeSats, der vil tillade effektiv optagelse uanset solens orientering."

Perovskitceller produceret i laboratoriet hos Zhiqun Lin, professor ved School of Materials Science and Engineering, vil også blive testet. Disse materialer har kendte fejlmekanismer forårsaget af fugt- og iltabsorption. "Disse to fejlmekanismer vil ikke være til stede på ydersiden af ​​den internationale rumstation, så denne test giver os mulighed for at se ydeevnen af ​​disse materialer uden disse problemer. Vi burde være i stand til at afgøre, om disse kendte problemer kan skjule andre årsager til nedbrydning, " sagde Ready.

CZTS-materialer er potentielt næste generations solceller, der består af billige, Jordrige materialer:kobber, zink, tin og svovl. Materialerne har en høj absorptionskoefficient og kan være modstandsdygtige over for stråling - nyttigt til rumapplikationer - og tilbyder en attraktiv afvejning mellem omkostninger og ydeevne, sagde Ready.

Siliciumbaserede solceller produceret af University Center of Excellence in Photovoltaic Research and Education ved Georgia Tech vil give en måde at sammenligne ydeevnen af ​​de andre celler. Laboratoriet, ledet af Regents Professor Ajeet Rohatgi fra School of Electrical and Computer Engineering, forsynede bor-dopede p-type celler med en fosfor-doteret n+ emitter og aluminium-doteret p+ bagoverfladefelt.

"Disse silicium fotoabsorberende celler vil tjene som kontroller til at sammenligne ydeevnen af ​​andre fotoabsorberende materialer i rummet, " sagde Rohatgi.

De 20 PV-celler vil kort slutte sig til tre andre celler fremstillet af Georgia Tech-forskere, som allerede er på ISS. De tre, og to på den nyeste mission, var en del af et eksperiment fra 2016, der ikke var i stand til at registrere data, selvom den gav information om rummiljøets påvirkning af solcellerne.

Georgia Tech fotovoltaiske celler blev opsendt til ISS den 2. november ombord på S.S. Alan Bean, et Northrop Grumman Cygnus rumfartøj fra NASAs Wallops Island Facility, som en del af en rutinemæssig genforsyningsmission. Til deres test, cellerne blev integreret i en testpakke af Alpha Space Test &Research Alliance i Houston.

Ud over de allerede nævnte, projektet omfattede også Canek Fuentes-Hernandez, Matthew Rager, Hunter Chan, Christopher Tran, Christopher Blancher, Zhitao Kang og Conner Awald og Brian Rounsaville, alle fra Georgia Tech.