Forskare från Skoltech Center for Energy Science and Technology, Institutet för problem med kemisk fysik av RAS, och Department of Chemistry of MSU har presenterat solceller baserade på konjugerade polymerer och fullerenderivat som visar rekordhög strålningsstabilitet och tål gammastrålning på> 6, 000 Gy, väcka förhoppningar om deras stabila drift i jordbana över 10 år eller ännu längre. Resultaten av studien publicerades i ACS tillämpade material och gränssnitt .

När Sovjetunionen lanserade den första satelliten någonsin för cirka 60 år sedan, dess radiosignal som sänds vid tre frekvenser kunde fångas var som helst på jorden. Dock, tre veckor senare tystnade sändaren, efter att ha förbrukat all kraft från batterierna ombord som stod för en större del av satellitens vikt. En läxa drogs från den första lanseringen, och alla satelliter som följde bar solceller som omvandlar ljusets energi till elektricitet för att driva de elektroniska systemen ombord. Kiselsolceller och fotoelektriska omvandlare baserade på elementen från grupp 3 och 5 i det periodiska systemet (A3B5) är de vanligaste sorterna trots deras flera nackdelar, inklusive tung vikt och, därför, ett lågt energi-till-vikt-förhållande. Till råga på det, de är ömtåliga och påverkas lätt av joniserande strålning:till skillnad från högenergipartikelflöden som kan avvärjas genom inkapsling, gammastrålning har hög penetrationsförmåga och är svårare att hantera. Bildandet och ackumuleringen av strålningsinducerade defekter i en kristallstruktur hos konventionella oorganiska halvledare orsakar allvarlig försämring av deras elektroniska egenskaper och snabb försämring av solcellernas effektivitet.

Under de senaste två decennierna, organiska solceller har fått mycket uppmärksamhet tack vare sin låga vikt, flexibilitet och oöverträffade energi-till-vikt-förhållanden på 10 till 20 W/g, vilket gör dem till en lovande kandidat för rymdapplikationer, även om deras strålningsstabilitet fortfarande är dåligt förstådd.

Tidigare, en grupp forskare under ledning av Skoltech-professorn Pavel Troshin studerade strålningsstabiliteten hos perovskitsolceller och visade att nuvarande generations komplexa blyhalider är för känsliga för gammastrålar för att kunna användas i rymden. Forskarna var mycket mer optimistiska om organiska solceller, som uppvisade utmärkt strålningsstabilitet i sin senaste studie.

"De karbazolhaltiga konjugerade polymererna som valts ut för studien säkerställer en lång livslängd och ganska hög ljusomvandlingseffektivitet för solceller under vanliga markförhållanden, som vi demonstrerade redan 2015. I detta dokument, vi undersöker beteendet hos två modeller av fulleren-polymersystem som exponeras för gammastrålar. Ett av de två systemen visade rekordhög strålningsstabilitet, där solcellerna behåller över 80 % av sin ursprungliga effektivitet efter exponering för 6, 500 Gy gammastrålar, en dos som satelliter i omloppsbana nära jorden beräknas ta emot under 10 år eller längre. Detta är bara en av våra första prestationer inom denna forskningssatsning och vi kommer att fortsätta utvecklingen av ännu mer stabila och effektiva organiska solceller för rymdtillämpningar, " säger den första författaren till tidningen, Ilya Martynov.

Den höga strålningsstabiliteten som avslöjas av organiska solceller baserade på karbazol-innehållande konjugerade polymerer är ett tecken på deras omfattande rymdpotential, med sin låga vikt, flexibilitet och högt energi-till-vikt-förhållande som möjliggör en betydande minskning av ballastvikten och ökning av nyttolasten.

"Att använda rymdsolsegel gjorda av flexibla plastsolceller representerar en lockande möjlighet att öka kraften hos fotoelektriska omvandlare på satelliterna, "säger professor Troshin.