University of Oklahoma doktorand, Sergio Chacon, hjälper forskaren Rachel Penner att sätta upp perovskitsolcellsmätningar. Kredit:Ian Sellers, University of Oklahoma.
Forskare vid University of Oklahoma, med National Renewable Energy Laboratory, University of North Texas, NASA Glenn Research Center och flera medarbetare inom rymdkraftsgemenskapen, har nyligen publicerat en artikel i tidskriften Joule som beskriver de optimala förhållandena för att testa perovskitsolceller för rymden.
Perovskites är ett material som används i en typ av solceller, som är enheter som omvandlar ljus till elektrisk energi. Ian Sellers, fysiker vid University of Oklahoma och medförfattare till tidningen, sa att perovskitsolceller skapar spänning i solcellssamhället på grund av deras snabbt ökande prestanda och deras höga tolerans mot strålning som tyder på att de skulle kunna användas för att tillhandahålla kraft för rymdsatelliter och rymdfarkoster.
Sellers, som också är Ted S. Webb presidentprofessor vid Homer L. Dodges avdelning för fysik och astronomi vid Dodge Family College of Arts and Sciences, och biträdande direktör för Oklahoma Photovoltaics Research Institute, har handlett flera doktorander och en postdoktor inom detta område. Den tidigare postdoktorale forskaren i Sellers labb, Brandon Durant, är nu National Research Council Fellow bosatt vid U.S. Naval Research Laboratory och är en av medförfattarna till artikeln.
"Perovskites är spännande för många människor i solcellssamfundet eftersom detta nya solcellsmaterial kan nå hög effektivitet och har gjort det snabbt och relativt enkelt," sa Sellers. "Men dessa material har också betydande problem när det gäller stabilitet och utbyte, särskilt under atmosfäriska förhållanden - fukt, syre bryter ner detta material, så det var intressant att det fanns några personer som föreslog att trots dessa terrestra instabilitetsproblem, verkade detta system strålning hårt och lämpligt för utrymmet."
"Termen "hård strålning" används av forskare för att beskriva hur mycket skada som uppstår i ett föremål eller en enhet när det är en rymdmiljö, säger Joseph Luther, senior forskare på teamet för kemiska material och nanovetenskap vid National Renewable Energy Laboratory. . "Det är intressant, särskilt med perovskitmaterial, eftersom halvledarna är kända för att vara mjuka, men strålningshårdheten betyder bara att de kan tolerera strålningsinducerade defekter utan en snabb försämring av prestanda."
Problemet som teamet från OU, NREL och University of North Texas ville lösa var hur tillämplig standard rymdtestning av solceller är för perovskiterna.
"Vad vi fann var att perovskiter är strålningshårda men inte av de skäl som många trodde," sa Sellers. "Vi fann att samhället i allmänhet inte testar dem ordentligt. Perovskiter är tunna filmer, och de är också mycket mjuka, så om du använder rymdprotokollen som utvecklats för traditionella solceller är interaktionen mellan högenergipartiklar försumbar, vilket betyder att perovskiter såg strålningshårda ut eftersom de enligt vår mening inte testades ordentligt."
För att utveckla ett nytt sätt att testa perovskiterna arbetade Durant med Bibhudutta Rout, en docent vid institutionen för fysik vid UNT i Denton, Texas, för att mäta solcellernas strålningshårdhet under olika förhållanden eller strålningsexponering.
"Vi började göra dessa mycket riktade strålberoendetester genom att kontrollerat stoppa dessa partiklar i olika delar av solcellen," sa Sellers. Så istället för att använda mycket högenergipartiklar använde vi lågenergipartiklar, speciellt protoner, eftersom dessa är mer skadliga för perovskiterna och är mycket vanliga i rymden, och bombarderar solceller och andra material i rymden med låg energi. När vi gjorde detta, vi bekräftade att perovskiter verkligen är mycket strålningshårda eftersom de är mjuka och inte är särskilt täta, så när de skadas läker de snabbt."
Säljare jämför effekten med en balja vatten. Vattnet börjar som stilla. Du kan stänka vattnet för att skapa kaos, men det kommer att återgå till stillheten när stänket upphör.
"Dessa perovskiter är väldigt nära att vara som en vätska, så när de är skadade läker de sig själv," sa han. "Perovskiter, som en balja med vatten, kommer att bli störda och skadade i rymden, men kommer också mycket snabbt att slå sig ner eller läka och återgå till det normala. Det vi har gjort är att skapa ett protokoll, en uppsättning villkor som perovskitceller måste testas innan de går ut i rymden, så att det globala samhället testar dessa material ordentligt och på samma sätt."
Ansökningar till denna forskning öppnar en rad möjligheter. Ett område av forskningsintresse inkluderar undersökningen av perovskites användning i permanenta installationer på månen, särskilt i huruvida lätta flexibla perovskiter skulle kunna skickas ut i rymden hopfällda och framgångsrikt utplacerade där, eller till och med tillverkas på månen.
På samma sätt kan framtida forskning utforska användbarheten av perovskitsolceller för rymduppdrag till planeter som Jupiter som har en intensiv strålningsmiljö eller för satellituppdrag i polära banor med höga strålningsnivåer.
"Rymdkvalificering av ett nytt material drivs av uppdragskrav", säger NASA Glenn Research ingenjör och medförfattare, Lyndsey McMillon-Brown. "Detta arbete är så viktigt eftersom vi undersöker perovskiternas svar på strålning som är mest relevant för de tillämpningar som NASA är mest intresserade av."
"Genom att gå samman och definiera några protokoll som den federala och kommersiella rymdgemenskapen har kommit överens om om hur dessa ska testas är ett viktigt steg framåt som är banbrytande för hur perovskites skulle kunna användas i rymden," sa Sellers.
"Countdown to perovskite space launch:Guidelines to performing relevant radiation-hardness experiments" publicerades i Joule den 11 april 2022. Studien leddes av Luther och utfördes övervägande av Ahmad Kirmani, postdoktor vid NREL, och Durant. + Utforska vidare
