Forskere beslutter, hvordan de skal bevise perovskitpaneler til rumkraft

Perovskites, som har vist et enormt potentiale som en ny halvleder til solceller, får opmærksomhed såvel som en potentiel næste generations teknologi til også at drive rumfartsmissioner. Mens videnskabsmænd over hele kloden fortsætter bestræbelserne på at udnytte potentialet af perovskiter på Jorden, er andre ved at undersøge, hvor godt teknologien kan fungere i planetens kredsløb.

En fælles forskningsindsats for i fællesskab at løse dette vigtige spørgsmål, der involverer forskere fra National Renewable Laboratory (NREL), udstikker retningslinjer for at teste de strålingstolererende egenskaber af perovskitter beregnet til brug i rummet.

"Stråling er egentlig ikke et problem på Jorden, men bliver mere og mere intenst, efterhånden som vi bevæger os til højere og højere højder," sagde Ahmad Kirmani, en postdoc-forsker ved NREL og hovedforfatter af det nye papir, "Countdown to perovskite space launch:Guidelines to udfører relevante strålingshårdhedseksperimenter," som vises i Joule .

Stråling, der når Jorden, plejer for det meste at være fotoner eller lys fra solen, som solceller absorberer og bruger til at generere elektricitet. I rummet kommer stråling dog fra alle retninger i form af protoner, elektroner, neutroner, alfapartikler og gammastråler. Dette skaber et ugæstfrit miljø for drift af mange elektroniske enheder, herunder solceller. Når forskere udvikler nye teknologier til rumapplikationer, skal der derfor udføres omhyggelig eftertanke og grundige tests for at være sikker på, at teknologien kan fungere i en længere periode i driftsmiljøet.

"Når man forsøger at efterligne strålingen i rummet med en jordbaseret test, er det meget udfordrende, fordi man skal overveje mange forskellige partikler og den tilhørende partikelenergi, og de har forskellig indflydelse på forskellige lag i solcellen. Det hele afhænger af om, hvor du har til hensigt, at teknologien skal fungere i rummet, og hvilke specifikke strålingsbegivenheder, der vides at forekomme der," sagde Joseph Luther, medforfatter af papiret og en seniorforsker i Chemical Materials and Nanoscience-teamet ved NREL.

Hans NREL-kolleger, som har bidraget til avisen, er Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger og Kaitlyn VanSant, som er en NASA-postdoc-stipendiat, der arbejder ved NREL.

Andre involverede forskere er med University of Oklahoma, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, The Aerospace Corporation, University of Colorado-Boulder, NASA Glenn Research Center, University of North Texas og U.S. Air Force Research Laboratory. Bidragyderne er eksperter inden for strålingstest af solceller. Deres input resulterede i en konsensus om, hvordan man griber testningen af ​​perovskit-solceller til rumapplikationer.

Forskningen er det seneste samarbejde, der involverer NREL-forskere, der er interesseret i at bringe perovskiter ud i rummet. Sidste år var vidne til test af perovskiter for holdbarhed i rummet. Perovskitcellerne blev fastgjort til ydersiden af ​​Den Internationale Rumstation, delvist for at se, hvordan de ville håndtere eksponering for stråling.

Solceller, der for eksempel er blevet brugt til at kredse om satellitter eller på Mars-roverne, er lavet af enten silicium eller III-V materialer fra grundstoffernes periodiske system. Perovskites henviser til en kemisk struktur snarere end et grundstof. De kan ideelt set fremstilles til lave omkostninger sammenlignet med konventionelle solenergiteknologier og vejer også mindre.

Andre forskere har rapporteret, at perovskitter kan tolerere intens stråling med hidtil uset holdbarhed, men det nye Joule-papir giver retningslinjer for præcis, hvordan man tester dem på Jorden for det faktiske komplicerede strålingsspektrum i forskellige rumbaner.

"Dette er et vigtigt stykke arbejde," sagde Haegel, centerdirektør for Materials Science hos NREL. "Hvis vi ønsker at fremskynde vores fremskridt inden for perovskites til rum-PV, er det vigtigt at bringe samfundet sammen og definere de kritiske spørgsmål og eksperimenter. Perovskites er forskellige på flere måder, og vi er nødt til at genoverveje langvarige ideer om, hvordan man kan effektivt evaluere solceller for strålingsmiljøet i rummet. Dette papir giver det bidrag."

Forskerne stolede på simuleringer kørt gennem SRIM, en Monte Carlo-simulering, der modellerer passagen af ​​ioner gennem stof. Partikelacceleratorer bruges til at teste strålingstolerance, men forskerne sagde, at det er afgørende vigtigt at vælge den rigtige partikelenergi og at vide, hvordan denne testtilstand relaterer sig til de komplekse strålingsspektre, panelerne ville blive udsat for i rummet. Arbejde ledet af Ian Sellers ved University of Oklahoma pegede på, at protoner skulle være det første fokus.

Simuleringerne modellerede skydende protoner med forskellige energier ved en perovskit-solcelle og bestemte, hvordan protonstrålerne ville interagere. Højenergiprotoner gik lige gennem de tynde perovskitceller i simuleringen. Lavenergiprotonerne absorberes tilstrækkeligt og forårsager skade på perovskittens struktur, så forskerne kan måle, hvordan den strålingsskade svarer til solcellens evne til at producere elektricitet. Højenergiprotoner skaber mere varme i perovskitten, hvilket skaber en ekstra komplikation i forståelsen af ​​strålingstolerance. Dette adskiller sig fra konventionelle solceller, hvor højenergiprotoner og elektroner bruges til at bestemme virkningerne af stråling.

Forskningsresultaterne er de første i, hvad der vil være en lang række skridt hen imod at bruge perovskiter i rummet.

"Der er mange forskellige måder, vi kan konstruere perovskit-solceller på, så vi ønsker at udvikle en, der specifikt vil være bedst for rummet," sagde Luther. "Dette mål vil involvere mange iterationer mellem at lave en ny celle, teste strålingstolerancen og bruge det, vi lærer til at forbedre celledesignet."

Der skal også udføres anden forskning, herunder hvor godt perovskitter håndterer de ekstreme temperatursvingninger i rummet.

Kirmani sagde, at der skal udføres yderligere arbejde for at beskytte eller indkapsle perovskit-solcellerne uden at ofre deres letvægtsegenskaber ved at tilføje ekstra glas. "Vi arbejder faktisk på den teknologi lige nu og har fundet nogle få kemiske sammensætninger, der nemt kan afsættes oven på perovskitmodulet på en meget billig måde uden at øge den samlede vægt dramatisk."

Når en proton rammer perovskitcellen med den rette mængde energi, kan et atom blive slået ud af sin plads og forårsage et fald i effektiviteten. Imidlertid besidder perovskitter evnen til selvhelbredelse. En stigning i mængden af ​​varme, der strømmer gennem cellen, kan tvinge atomerne til at falde tilbage i den korrekte position. Det kræver også yderligere forskning.

"Vi ønsker at finde ud af, hvordan effekten virker, hvordan den kan være gavnlig, og om den er realistisk under passende forhold i rummet," sagde Luther.