Fem olika typer av solceller tillverkade av forskargrupper vid Georgia Institute of Technology har anlänt till den internationella rymdstationen (ISS) för att testas för sin kraftomvandlingshastighet och förmåga att fungera i den hårda rymdmiljön som en del av MISSE-12 uppdrag. En typ av cell, gjorda av billiga organiska material, har inte testats i rymden tidigare.

Texturerade kolnanorörsbaserade fotovoltaiska celler utformade för att fånga ljus från alla vinklar kommer att utvärderas för deras förmåga att effektivt producera kraft oavsett deras orientering mot solen. Andra celler tillverkade av perovskitmaterial och ett billigt koppar-zink-tenn-sulfidmaterial (CZTS) - tillsammans med en kontrollgrupp av traditionella kiselbaserade celler - kommer att vara bland de 20 fotovoltaiska (PV) enheterna som placeras på Materials International Space Station Experiment Flight Facility på utsidan av ISS för en sex månader lång utvärdering. För två av cellerna, uppskjutningen markerade deras andra resa ut i rymden.

"Forskningsfrågorna är desamma för alla fotovoltaiska celler:Kan dessa fotoabsorbenter användas effektivt i rymden?" sa Jud Ready, chefsingenjör vid Georgia Tech Research Institute (GTRI), biträdande chef för Georgia Techs Center for Space Technology and Research, och biträdande chef för Georgia Techs Institute for Materials. "Med detta test, vi kommer att få insikter i nedbrytningsmekanismerna för dessa material och kunna jämföra deras kraftproduktion under varierande förhållanden."

Organiska solceller utvecklade i professor Bernard Kippelens laboratorium vid Georgia Tech bearbetas vid låga temperaturer med hjälp av lösningsbaserade processer över stora ytor för att producera celler med en absorbator som kan vara cirka 200 gånger tunnare än bredden på ett människohår.

"Med en mycket låg vikt och effektomvandlingseffektivitetsvärden på upp till 16 %, organiska solceller kan ge effektvärden i hundratusentals watt per kilogram aktivt material, vilket är mycket attraktivt för rymdapplikationer, sa Kippelen, Joseph M. Pettit professor vid School of Electrical and Computer Engineering. "Dock, effekterna av kontinuerlig exponering av dessa enheter i en rymdmiljö har inte undersökts noggrant. Vårt intresse är att undersöka robustheten hos gränssnitten som bildas i dessa enheter i en rymdmiljö, samt att förbättra vår förståelse av nedbrytningsmekanismerna för organiska solceller i rymden."

Traditionella platta solceller är mest effektiva när solljuset är direkt ovanför. Eftersom riktningen för solflödet varierar med omloppsbanan, stora rymdfarkoster som ISS använder mekaniska pekmekanismer för att hålla cellerna rätt riktade. Dessa komplexa mekanismer skapar underhållsproblem, dock, och är för tunga för användning på mycket små rymdfarkoster som CubeSats.

För att övervinna pekproblemet, Readys team utvecklade 3D-texturerade solceller som effektivt kan fånga solljus som kommer från olika vinklar. Cellerna använder "torn" gjorda av kolnanorör och täckta med PV-material för att fånga ljus som skulle studsa av standardceller när de inte är vinklade mot solen.

"Med vår ljusfångande struktur, vi är agnostiska mot solvinkeln, ", sa Ready. "Våra celler fungerar faktiskt bättre vid blickvinklar. På CubeSats, som kommer att möjliggöra effektiv fångst oberoende av solens orientering."

Perovskitceller producerade i Zhiqun Lins laboratorium, professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik, kommer också att testas. Dessa material har kända felmekanismer orsakade av fukt- och syreabsorption. "Dessa två felmekanismer kommer inte att finnas på utsidan av den internationella rymdstationen, så det här testet gör att vi kan se prestandan för dessa material utan dessa problem. Vi borde kunna avgöra om dessa kända problem kan maskera andra orsaker till nedbrytning, " sa Ready.

CZTS-material är potentiellt nästa generations solceller som består av lågpris, Jordnära material:koppar, zink, tenn och svavel. Materialen har en hög absorptionskoefficient och kan vara resistenta mot strålning – användbart för rymdtillämpningar – och erbjuder en attraktiv avvägning mellan kostnad och prestanda, Sa Ready.

Silikonbaserade solceller producerade av University Center of Excellence in Photovoltaic Research and Education vid Georgia Tech kommer att ge ett sätt att jämföra de andra cellernas prestanda. Laboratoriet, leds av Regents Professor Ajeet Rohatgi från School of Electrical and Computer Engineering, tillhandahöll borodopade p-typceller med en fosfordopad n+-sändare och aluminiumdopad p+-bakytafält.

"Dessa fotoabsorberande kiselceller kommer att fungera som kontroller för att jämföra prestandan hos andra fotoabsorberande material i rymden, sa Rohatgi.

De 20 PV-cellerna kommer kort att ansluta sig till tre andra celler tillverkade av Georgia Tech-forskare som redan finns på ISS. De där tre, och två på det senaste uppdraget, var en del av ett experiment från 2016 som inte kunde registrera data, även om det gav information om effekterna av rymdmiljön på solcellerna.

Georgia Tech fotovoltaiska celler lanserades till ISS den 2 november ombord på S.S. Alan Bean, en Northrop Grumman Cygnus rymdfarkost från NASA:s Wallops Island Facility, som en del av ett rutinmässigt återförsörjningsuppdrag. För deras testning, cellerna integrerades i ett testpaket av Alpha Space Test &Research Alliance i Houston.

Utöver de som redan nämnts, projektet inkluderade också Canek Fuentes-Hernandez, Matthew Rager, Hunter Chan, Christopher Tran, Christopher Blancher, Zhitao Kang och Conner Awald och Brian Rounsaville, allt från Georgia Tech.