Fysikere udvikler ideelle testbetingelser for solceller til rumapplikationer

Forskere ved University of Oklahoma, med National Renewable Energy Laboratory, University of North Texas, NASA Glenn Research Center og flere samarbejdspartnere inden for rumkraftsamfundet, har for nylig offentliggjort en artikel i tidsskriftet Joule der beskriver de optimale betingelser for at teste perovskit-solceller for rummet.

Perovskites er et materiale, der bruges i en type solcelle, som er enheder, der omdanner lys til elektrisk energi. Ian Sellers, fysiker ved University of Oklahoma og medforfatter af papiret, sagde, at perovskit-solceller skaber spænding i solcellesamfundet på grund af deres hurtigt stigende ydeevne og deres høje tolerance over for stråling, der tyder på, at de kunne bruges til at give strøm til rumsatellitter og rumfartøjer.

Sellers, som også er Ted S. Webb-præsidentprofessor i Homer L. Dodge Department of Physics and Astronomy i Dodge Family College of Arts and Sciences, og associeret direktør for Oklahoma Photovoltaics Research Institute, har vejledt flere kandidatstuderende og en postdoc-forsker på dette område. Den tidligere postdoktorale forsker i Sellers laboratorium, Brandon Durant, er nu National Research Council Fellow bosat ved U.S. Naval Research Laboratory og er en af ​​medforfatterne til artiklen.

"Perovskites er spændende for mange mennesker i solcellesamfundet, fordi dette nye solcellemateriale kan nå høj effektivitet og har gjort det hurtigt og relativt enkelt," sagde Sellers. "Men disse materialer har også betydelige problemer med hensyn til stabilitet og udbytte, især under atmosfæriske forhold - fugt, ilt nedbryder dette materiale, så det var interessant, at der var et par mennesker, der foreslog, at på trods af disse terrestriske ustabilitetsproblemer, syntes dette system stråling hårdt og passende til rummet."

"Udtrykket 'hård stråling' bruges af forskere til at beskrive, hvor meget skade der sker i et objekt eller en enhed, når det er et rummiljø," sagde Joseph Luther, en seniorforsker på kemiske materialer og nanovidenskabsteamet ved National Renewable Energy Laboratory. . "Det er interessant, især med perovskitmaterialer, fordi halvlederne er kendt for at være bløde, men strålingshårdhed betyder bare, at de kan tolerere de strålingsinducerede defekter uden en hurtig forringelse af ydeevnen."

Det problem, holdet fra OU, NREL og University of North Texas satte sig for at løse, var, hvor anvendelig standard rumtest af solceller er for perovskitterne.

"Det, vi fandt, var, at perovskitter er strålingshårde, men ikke af de grunde, mange troede," sagde Sellers. "Vi fandt ud af, at samfundet generelt ikke tester dem ordentligt. Perovskitter er tynde film, og de er også meget bløde, så hvis du bruger de rumprotokoller, der er udviklet til traditionelle solceller, er interaktionen af ​​højenergipartikler ubetydelig, hvilket betyder, at perovskitter så hårde ud, fordi de efter vores mening ikke blev testet ordentligt."

For at udvikle en ny måde at teste perovskitterne på, arbejdede Durant sammen med Bibhudutta Rout, en lektor ved Institut for Fysik ved UNT i Denton, Texas, for at måle solcellernes strålingshårdhed under forskellige forhold eller strålingseksponering.

"Vi begyndte at lave disse meget målrettede strålingsafhængighedstests ved kontrollerbart at stoppe disse partikler i forskellige dele af solcellen," sagde Sellers. "Så i stedet for at bruge meget højenergipartikler, brugte vi lavere energipartikler, specifikt protoner, da disse er mere skadelige for perovskitterne og er meget udbredte i rummet, og bombarderer solceller og andre materialer i rummet ved lave energier. Når vi gjorde dette, vi bekræftede, at perovskitter faktisk er meget strålingshårde, fordi de er bløde og ikke er særlig tætte, så når de er beskadiget, heler de hurtigt."

Sælgere sammenligner effekten med en balje vand. Vandet starter som stille. Du kan sprøjte vandet for at skabe kaos, men det vil gå tilbage til stilhed, når sprøjtningen stopper.

"Disse perovskitter er meget tæt på at være som en væske, så når de er beskadiget, heler de sig selv," sagde han. "Perovskitter vil ligesom en balje med vand blive forstyrret og beskadiget i rummet, men vil også meget hurtigt sætte sig eller hele og gå tilbage til det normale. Det, vi har gjort, er at lave en protokol, et sæt betingelser, som perovskitceller skal blive testet, før de går ud i rummet, så det globale samfund tester disse materialer korrekt og på samme måde."

Ansøgninger til denne forskning åbner en bred vifte af muligheder. Et område af forskningsinteresse omfatter undersøgelsen af ​​perovskitters brug i permanente installationer på månen, specifikt i hvorvidt letvægts fleksible perovskiter kunne sendes ud i rummet, foldet sammen og med succes udplaceret der, eller endda fremstillet på månen.

Ligeledes kan fremtidig forskning udforske nytten af ​​perovskit-solceller til rummissioner til planeter som Jupiter, der har et intenst strålingsmiljø, eller til satellitmissioner i polære baner med høje strålingsniveauer.

"Rumkvalificering af et nyt materiale er drevet af missionskrav," sagde NASA Glenn Research-ingeniør og medforfatter, Lyndsey McMillon-Brown. "Dette arbejde er så vigtigt, fordi vi undersøger perovskitternes reaktion på stråling, der er mest relevant for de applikationer, NASA er mest interesseret i."

"Ved at gå sammen og definere nogle protokoller, som det føderale og det kommercielle rumsamfund er blevet enige om om måden, disse skal testes, er et væsentligt skridt fremad, som er banebrydende for, hvordan perovskiter kan udplaceres i rummet," sagde Sellers.

"Countdown to perovskite space launch:Guidelines to performing relevant radiation-hardness experiments" blev offentliggjort i Joule den 11. april 2022. Undersøgelsen blev ledet af Luther og udført overvejende af Ahmad Kirmani, en postdoc-forsker ved NREL, og Durant. + Udforsk yderligere

Forskere beslutter, hvordan de skal bevise perovskitpaneler til rumkraft