Physiker entwickeln ideale Testbedingungen von Solarzellen für Weltraumanwendungen

Forscher der University of Oklahoma mit dem National Renewable Energy Laboratory, der University of North Texas, dem Glenn Research Center der NASA und mehreren Mitarbeitern der Weltraum-Power-Community haben kürzlich einen Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht Joule das beschreibt die optimalen Bedingungen, um Perowskit-Solarzellen für den Weltraum zu testen.

Perowskite sind ein Material, das in einer Art Solarzellen verwendet wird, bei denen es sich um Geräte handelt, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Ian Sellers, Physiker an der University of Oklahoma und Mitautor der Abhandlung, sagte, dass Perowskit-Solarzellen aufgrund ihrer schnell steigenden Leistung und ihrer hohen Strahlungstoleranz für Aufregung in der Photovoltaik-Community sorgen, was darauf hindeutet, dass sie zur Bereitstellung verwendet werden könnten Energie für Weltraumsatelliten und Raumfahrzeuge.

Sellers, der auch Ted S. Webb Presidential Professor am Homer L. Dodge Department of Physics and Astronomy am Dodge Family College of Arts and Sciences und stellvertretender Direktor des Oklahoma Photovoltaics Research Institute ist, hat mehrere Doktoranden betreut und betreut ein Postdoktorand auf diesem Gebiet. Der frühere Postdoktorand in Sellers Labor, Brandon Durant, ist jetzt ein National Research Council Fellow am US Naval Research Laboratory und einer der Co-Autoren der Veröffentlichung.

„Perowskite sind für viele Leute in der Photovoltaik-Community spannend, weil dieses neue Solarzellenmaterial hohe Wirkungsgrade erreichen kann und dies schnell und relativ einfach erreicht hat“, sagte Sellers. „Aber diese Materialien haben auch erhebliche Probleme in Bezug auf Stabilität und Ertrag, insbesondere unter atmosphärischen Bedingungen – Feuchtigkeit und Sauerstoff bauen dieses Material ab, daher war es interessant, dass einige Leute vorschlugen, dass dieses System trotz dieser terrestrischen Instabilitätsprobleme Strahlung zu sein scheint hart und für den Weltraum geeignet.“

„Der Begriff ‚strahlungshart‘ wird von Forschern verwendet, um zu beschreiben, wie viel Schaden in einem Objekt oder Gerät auftritt, wenn es sich um eine Weltraumumgebung handelt“, sagte Joseph Luther, leitender Wissenschaftler im Team für chemische Materialien und Nanowissenschaften am National Renewable Energy Laboratory . „Es ist interessant, besonders bei Perowskit-Materialien, weil die Halbleiter bekanntermaßen weich sind, Strahlungshärte jedoch nur bedeutet, dass sie die strahlungsinduzierten Defekte ohne einen schnellen Leistungsabfall tolerieren können.“

Das Problem, das das Team von OU, NREL und der University of North Texas lösen wollte, war, wie anwendbar Standard-Weltraumtests von Solarzellen für die Perowskite sind.

„Wir fanden heraus, dass Perowskite strahlungshart sind, aber nicht aus den Gründen, die viele glaubten“, sagte Sellers. „Wir haben festgestellt, dass die Community sie im Allgemeinen nicht richtig testet. Perowskite sind dünne Filme und sie sind auch sehr weich. Wenn Sie also die für herkömmliche Solarzellen entwickelten Weltraumprotokolle verwenden, ist die Wechselwirkung von hochenergetischen Teilchen vernachlässigbar, was bedeutet Perowskite sahen strahlungshart aus, weil sie unserer Meinung nach nicht richtig getestet wurden.“

Um eine neue Methode zum Testen der Perowskite zu entwickeln, arbeitete Durant mit Bibhudutta Rout, einer außerordentlichen Professorin am Department of Physics der UNT in Denton, Texas, zusammen, um die Strahlungshärte der Solarzellen unter verschiedenen Bedingungen oder Strahlenbelastungen zu messen.

„Wir begannen mit diesen sehr gezielten Strahlungsabhängigkeitstests, indem wir diese Partikel in verschiedenen Teilen der Solarzelle kontrollierbar stoppten“, sagte Sellers. „Anstatt sehr hochenergetische Teilchen zu verwenden, verwendeten wir Teilchen mit niedrigerer Energie, insbesondere Protonen, da diese schädlicher für die Perowskite sind und im Weltraum weit verbreitet sind und Solarzellen und andere Materialien im Weltraum bei niedrigen Energien bombardieren. Wann Wir haben dies getan und bestätigt, dass Perowskite tatsächlich sehr strahlungshart sind, weil sie weich und nicht sehr dicht sind. Wenn sie also beschädigt sind, heilen sie schnell.

Sellers vergleicht die Wirkung mit einer Wanne Wasser. Das Wasser beginnt als still. Sie können das Wasser spritzen, um Chaos zu erzeugen, aber es wird wieder still, sobald das Spritzen aufhört.

„Diese Perowskite sind sehr nah dran, wie eine Flüssigkeit zu sein, also heilen sie sich selbst, wenn sie beschädigt sind“, sagte er. „Perowskite werden wie eine Wanne mit Wasser im Weltraum ungeordnet und beschädigt, aber sie werden sich auch sehr schnell absetzen oder heilen und wieder normal werden. Was wir getan haben, ist, ein Protokoll zu erstellen, eine Reihe von Bedingungen, die Perowskitzellen erfüllen müssen getestet werden, bevor sie in den Weltraum gehen, damit die globale Gemeinschaft diese Materialien ordnungsgemäß und auf die gleiche Weise testet.“

Anwendungen für diese Forschung eröffnen eine Reihe von Möglichkeiten. Ein Forschungsinteresse umfasst die Untersuchung der Verwendung von Perowskiten in permanenten Installationen auf dem Mond, insbesondere ob leichte flexible Perowskite gefaltet in den Weltraum geschickt und dort erfolgreich eingesetzt oder sogar auf dem Mond hergestellt werden könnten.

Ebenso könnte zukünftige Forschung den Nutzen von Perowskit-Solarzellen für Weltraummissionen zu Planeten wie Jupiter mit einer intensiven Strahlungsumgebung oder für Satellitenmissionen in polaren Umlaufbahnen mit hohen Strahlungsniveaus untersuchen.

„Die Weltraumtauglichkeit eines neuen Materials wird von den Missionsanforderungen bestimmt“, sagte Glenn Research-Ingenieurin und Co-Autorin der NASA, Lyndsey McMillon-Brown. „Diese Arbeit ist so wichtig, weil wir die Reaktion der Perowskite auf Strahlung untersuchen, die für die Anwendungen am relevantesten ist, an denen die NASA am meisten interessiert ist.“

„Indem wir zusammenkommen und einige Protokolle definieren, auf die sich der Bund und die kommerzielle Weltraumgemeinschaft geeinigt haben, ist ein bedeutender Schritt nach vorne, der wegweisend dafür ist, wie Perowskite im Weltraum eingesetzt werden könnten“, sagte Sellers.

„Countdown to perovskite space launch: Guidelines to Performing Relevant Radiation-Hardness Experiments“ wurde in veröffentlicht Joule am 11. April 2022. Die Studie wurde von Luther geleitet und hauptsächlich von Ahmad Kirmani, einem Postdoktoranden am NREL, und Durant durchgeführt.