Des chercheurs de l’Université de l’Oklahoma, avec le National Renewable Energy Laboratory, l’Université du Nord du Texas, le Centre de recherche Glenn de la NASA et plusieurs collaborateurs au sein de la communauté de l’énergie spatiale, ont récemment publié un article dans la revue Joule qui décrit les conditions optimales pour tester les cellules solaires à pérovskite pour l’espace.
Les pérovskites sont un matériau utilisé dans un type de cellule solaire, qui sont des dispositifs qui convertissent la lumière en énergie électrique. Ian Sellers, physicien à l’Université de l’Oklahoma et co-auteur de l’article, a déclaré que les cellules solaires à pérovskite suscitent l’enthousiasme de la communauté photovoltaïque en raison de leurs performances en augmentation rapide et de leur grande tolérance aux radiations, ce qui suggère qu’elles pourraient être utilisées pour fournir puissance pour les satellites spatiaux et les engins spatiaux.
Sellers, qui est également professeur présidentiel Ted S. Webb au département de physique et d’astronomie Homer L. Dodge du Dodge Family College of Arts and Sciences, et directeur associé de l’Oklahoma Photovoltaics Research Institute, a encadré plusieurs étudiants diplômés et chercheur postdoctoral dans ce domaine. L’ancien chercheur postdoctoral du laboratoire de Seller, Brandon Durant, est maintenant membre du National Research Council résidant au US Naval Research Laboratory et est l’un des co-auteurs de l’article.
« Les pérovskites sont passionnantes pour de nombreuses personnes dans la communauté photovoltaïque car ce nouveau matériau de cellule solaire peut atteindre des rendements élevés et l’a fait rapidement et relativement simplement », a déclaré Sellers. « Mais ces matériaux ont également des problèmes importants en termes de stabilité et de rendement, en particulier dans les conditions atmosphériques – l’humidité, l’oxygène dégradent ce matériau, il était donc intéressant que quelques personnes aient suggéré que malgré ces problèmes d’instabilité terrestre, ce système est apparu rayonnement dur et adapté à l’espace. »
« Le terme » rayonnement dur « est utilisé par les chercheurs pour décrire l’ampleur des dommages qui se produisent dans un objet ou un appareil lorsqu’il s’agit d’un environnement spatial », a déclaré Joseph Luther, scientifique principal de l’équipe des matériaux chimiques et des nanosciences au National Renewable Energy Laboratory. . « C’est intéressant, en particulier avec les matériaux pérovskites, car les semi-conducteurs sont connus pour être mous, mais la dureté des rayonnements signifie simplement qu’ils peuvent tolérer les défauts induits par les rayonnements sans dégradation rapide des performances. »
Le problème que l’équipe de l’OU, du NREL et de l’Université du Nord du Texas a tenté de résoudre était de savoir dans quelle mesure les tests spatiaux standard des cellules solaires sont applicables aux pérovskites.
« Ce que nous avons découvert, c’est que les pérovskites sont résistantes aux radiations, mais pas pour les raisons que beaucoup croyaient », a déclaré Sellers. « Nous avons constaté que la communauté en général ne les teste pas correctement. Les pérovskites sont des couches minces, et elles sont également très molles, donc si vous utilisez les protocoles spatiaux développés pour les cellules solaires traditionnelles, l’interaction des particules à haute énergie est négligeable, ce qui signifie les pérovskites semblaient résistantes aux radiations parce qu’elles n’étaient pas, à notre avis, testées correctement. »
Pour développer une nouvelle façon de tester les pérovskites, Durant a travaillé avec Bibhudutta Rout, professeur agrégé au Département de physique de l’UNT à Denton, au Texas, pour mesurer la dureté du rayonnement des cellules solaires dans différentes conditions ou exposition aux rayonnements.
« Nous avons commencé à faire ces tests de dépendance au rayonnement très ciblés en arrêtant de manière contrôlée ces particules dans différentes parties de la cellule solaire », a déclaré Sellers. « Ainsi, plutôt que d’utiliser des particules à très haute énergie, nous utilisions des particules à faible énergie, en particulier des protons, car elles sont plus nocives pour les pérovskites et sont très répandues dans l’espace, bombardant des cellules solaires et d’autres matériaux dans l’espace à basse énergie. nous l’avons fait, nous avons confirmé que les pérovskites sont en effet très résistantes aux radiations parce qu’elles sont molles et qu’elles ne sont pas très denses, donc lorsqu’elles sont endommagées, elles guérissent rapidement. »
Les vendeurs comparent l’effet à un bain d’eau. L’eau commence comme immobile. Vous pouvez éclabousser l’eau pour créer le chaos, mais elle reviendra à l’immobilité une fois que les éclaboussures auront cessé.
« Ces pérovskites sont très proches d’être comme un liquide, donc lorsqu’elles sont endommagées, elles s’auto-guérissent », a-t-il déclaré. « Les pérovskites, comme une cuve d’eau, seront désordonnées et endommagées dans l’espace, mais elles s’installeront ou guériront aussi très rapidement et reviendront à la normale. Ce que nous avons fait, c’est créer un protocole, un ensemble de conditions que les cellules pérovskites doivent être testés avant d’aller dans l’espace, afin que la communauté mondiale teste ces matériaux correctement et de la même manière. »
Les applications de cette recherche ouvrent un éventail de possibilités. Un domaine d’intérêt de la recherche comprend l’étude de l’utilisation des pérovskites dans des installations permanentes sur la lune, en particulier pour savoir si des pérovskites flexibles légères pourraient être envoyées dans l’espace pliées et déployées avec succès là-bas, ou même fabriquées sur la lune.
De même, des recherches futures pourraient explorer l’utilité des cellules solaires en pérovskite pour des missions spatiales vers des planètes comme Jupiter qui ont un environnement de rayonnement intense ou pour des missions satellites en orbite polaire avec des niveaux de rayonnement élevés.
« La qualification spatiale d’un nouveau matériau est déterminée par les exigences de la mission », a déclaré Lyndsey McMillon-Brown, ingénieur de la NASA Glenn Research et co-auteur. « Ce travail est si important parce que nous sondons la réponse des pérovskites aux radiations les plus pertinentes pour les applications qui intéressent le plus la NASA. »
« En se réunissant et en définissant certains protocoles sur lesquels le gouvernement fédéral et la communauté spatiale commerciale se sont mis d’accord sur la manière dont ils devraient être testés, c’est un pas en avant significatif qui est un pionnier sur la manière dont les pérovskites pourraient être déployées dans l’espace », a déclaré Sellers.
« Compte à rebours avant le lancement spatial de la pérovskite : lignes directrices pour la réalisation d’expériences pertinentes sur la dureté des radiations » a été publié dans Joule le 11 avril 2022. L’étude a été dirigée par Luther et réalisée principalement par Ahmad Kirmani, chercheur postdoctoral au NREL, et Durant.
Ahmad R. Kirmani et al, Compte à rebours avant le lancement spatial de la pérovskite : Lignes directrices pour la réalisation d’expériences pertinentes sur la dureté des rayonnements, Joule (2022). DOI : 10.1016/j.joule.2022.03.004