Физики разрабатывают идеальные условия испытаний солнечных батарей для космоса
Исследователи из Университета Оклахомы совместно с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, Университетом Северного Техаса, Исследовательским центром Гленна НАСА и несколькими коллегами из сообщества космической энергетики недавно опубликовали статью в журнале Joule, в которой описываются оптимальные условия для испытаний перовскитные солнечные элементы для космоса.
Аспирант Университета Оклахомы Серджио Чакон помогает студенту-исследователю Рэйчел Пеннер настроить измерения перовскитных солнечных элементов. Фото: Ян Селлерс, Университет Оклахомы.
Перовскиты — это материал, используемый в солнечных элементах, которые представляют собой устройства, преобразующие свет в электрическую энергию. Ян Селлерс, физик из Университета Оклахомы и соавтор статьи, сказал, что солнечные элементы на основе перовскита вызывают ажиотаж в сообществе фотогальваники из-за их быстро растущей производительности и высокой устойчивости к излучению, что предполагает, что их можно использовать для обеспечения мощность для космических спутников и космических кораблей.
Селлерс, который также является президентом-профессором Теда С. Уэбба на кафедре физики и астрономии Гомера Л. Доджа в Семейном колледже искусств и наук Доджа и заместителем директора Исследовательского института фотогальваники в Оклахоме, был наставником для нескольких аспирантов и постдокторант в этой области. Бывший научный сотрудник лаборатории Селлера, Брэндон Дюрант, в настоящее время является членом Национального исследовательского совета, проживающим в исследовательской лаборатории ВМС США, и является одним из соавторов статьи.
«Перовскиты интересны многим людям, занимающимся фотогальваникой, потому что этот новый материал для солнечных элементов может достигать высокой эффективности, и это делается быстро и относительно просто», — сказал Селлерс. «Но у этих материалов также есть серьезные проблемы с точки зрения стабильности и производительности, особенно в атмосферных условиях — влага, кислород разрушают этот материал, поэтому было интересно, что было несколько человек, которые предположили, что, несмотря на эти земные проблемы нестабильности, эта система показала излучение твердый и подходящий для космоса».
«Термин «жесткое излучение» используется исследователями для описания степени повреждения объекта или устройства, находящегося в космической среде», — сказал Джозеф Лютер, старший научный сотрудник группы химических материалов и нанонауки в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. «Это интересно, особенно с перовскитными материалами, потому что известно, что полупроводники мягкие, однако радиационная стойкость просто означает, что они могут выдерживать дефекты, вызванные радиацией, без быстрого ухудшения характеристик».
Проблема, которую решила решить команда из OU, NREL и Университета Северного Техаса, заключалась в том, насколько применимы стандартные космические испытания солнечных элементов для перовскитов.
«Мы обнаружили, что перовскиты устойчивы к радиации, но не по тем причинам, по которым многие считали», — сказал Селлерс. «Мы обнаружили, что сообщество в целом не тестирует их должным образом. Перовскиты — это тонкие пленки, и они также очень мягкие, поэтому, если вы используете космические протоколы, разработанные для традиционных солнечных элементов, взаимодействие частиц высокой энергии незначительно, что означает перовскиты выглядели стойкими к радиации, потому что, по нашему мнению, они не подвергались должным испытаниям».
Чтобы разработать новый способ тестирования перовскитов, Дюрант работал с Бибхудуттой Раут, доцентом кафедры физики UNT в Дентоне, штат Техас, для измерения радиационной стойкости солнечных элементов в различных условиях или радиационном воздействии.
«Мы начали проводить эти очень целенаправленные тесты на радиационную зависимость, контролируемо останавливая эти частицы в разных частях солнечного элемента», — сказал Селлерс. «Поэтому вместо частиц с очень высокой энергией мы использовали частицы с более низкой энергией, в частности протоны, поскольку они более вредны для перовскитов и широко распространены в космосе, бомбардируя солнечные элементы и другие материалы в космосе при низких энергиях мы сделали это, мы подтвердили, что перовскиты действительно очень стойкие к радиации, потому что они мягкие и не очень плотные, поэтому, когда они повреждены, они быстро заживают».
Продавцы сравнивают эффект с тазом с водой. Вода начинается как неподвижная. Вы можете разбрызгивать воду, чтобы создать хаос, но она снова станет неподвижной, как только брызги прекратятся.
«Эти перовскиты очень похожи на жидкость, поэтому когда они повреждены, они самовосстанавливаются», — сказал он. «Перовскиты, как ванна с водой, будут беспорядочно и повреждены в космосе, но также очень быстро осядут или заживут и вернутся в нормальное состояние. Что мы сделали, так это создали протокол, набор условий, которым должны соответствовать перовскитные клетки должны быть проверены до того, как они отправятся в космос, чтобы мировое сообщество тестировало эти материалы должным образом и таким же образом».
Приложения для этого исследования открывает множество возможностей. Одна из областей научных интересов включает изучение использования перовскитов в постоянных установках на Луне, в частности, вопрос о том, можно ли отправлять в космос легкие гибкие перовскиты в сложенном виде и успешно развертывать их там или даже изготавливать на Луне.
Кроме того, будущие исследования могут изучить полезность перовскитных солнечных элементов для космических миссий на такие планеты, как Юпитер, которые имеют интенсивную радиационную среду, или для спутниковых миссий на полярных орбитах с высоким уровнем радиации.
«Космическая квалификация нового материала определяется требованиями миссии», — сказал инженер NASA Glenn Research и соавтор Линдси Макмиллон-Браун. «Эта работа очень важна, потому что мы исследуем реакцию перовскитов на радиацию, наиболее важную для приложений, которые больше всего интересуют НАСА».
«Собрать вместе и определить некоторые протоколы, с которыми согласились федеральное и коммерческое космическое сообщество в отношении того, как их следует тестировать, — это значительный шаг вперед, который является новаторским в отношении того, как перовскиты могут быть развернуты в космосе», — сказал Селлерс.
«Обратный отсчет до космического запуска перовскита: руководство по проведению соответствующих экспериментов по радиационной стойкости» было опубликовано в журнале Joule 11 апреля 2022 года. Исследование проводилось под руководством Лютера и преимущественно под руководством Ахмада Кирмани, исследователя с докторской степенью в NREL, и Дюранта.
