Perovskites, som har visat enorm potential som en ny halvledare för solceller, får uppmärksamhet såväl som en potentiell nästa generations teknik för att också driva rymdfartsuppdrag. När forskare runt om i världen fortsätter sina ansträngningar för att utnyttja potentialen hos perovskiter på jorden, undersöker andra hur väl tekniken kan fungera i planetens omloppsbana.

En forskningssamverkan för att tillsammans ta itu med denna viktiga fråga som involverar forskare från National Renewable Laboratory (NREL) lägger ut riktlinjer för att testa de strålningstolererande egenskaperna hos perovskiter avsedda för användning i rymden.

"Strålning är egentligen inte ett bekymmer på jorden, utan blir allt mer intensiv när vi flyttar till högre och högre höjder", säger Ahmad Kirmani, en postdoktor vid NREL och huvudförfattare till den nya uppsatsen, "Countdown to perovskite space launch:Guidelines to utför relevanta experiment med strålningshårdhet", som visas i Joule .

Strålning som når jorden tenderar att mestadels vara fotoner, eller ljus från solen, som solceller absorberar och använder för att generera elektricitet. Men i rymden kommer strålning från alla håll i form av protoner, elektroner, neutroner, alfapartiklar och gammastrålar. Detta skapar en ogästvänlig miljö för drift av många elektroniska enheter, inklusive solceller. När forskare utvecklar ny teknologi för rymdtillämpningar måste därför noggranna eftertanke och rigorösa tester utföras för att vara säker på att tekniken kan fungera under en längre period i driftsmiljön.

"När man försöker efterlikna strålningen i rymden med ett jordbaserat test är det väldigt utmanande eftersom man måste ta hänsyn till många olika partiklar och den tillhörande partikelenergin, och de har olika inflytande på olika lager i solcellen. Allt beror på om var du avser att tekniken ska fungera i rymden och vilka specifika strålningshändelser som är kända för att inträffa där", säger Joseph Luther, medförfattare till tidningen och en senior forskare i teamet för kemiska material och nanovetenskap vid NREL.

Hans NREL-kollegor som bidragit till uppsatsen är Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger och Kaitlyn VanSant, som är en NASA-postdoktor som arbetar på NREL.

Andra involverade forskare är University of Oklahoma, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, The Aerospace Corporation, University of Colorado-Boulder, NASA Glenn Research Center, University of North Texas och U.S. Air Force Research Laboratory. Bidragsgivarna är experter inom området strålningstestning av solceller. Deras input resulterade i en konsensus om hur man ska närma sig testning av perovskitsolceller för rymdtillämpningar.

Forskningen är det senaste samarbetet som involverar NREL-forskare som är intresserade av att sätta ut perovskiter i rymden. Förra året bevittnade testningen av perovskiter för hållbarhet i rymden. Perovskitcellerna fästes på utsidan av den internationella rymdstationen, delvis för att se hur de skulle hantera exponering för strålning.

Solceller som har använts för att kretsa satelliter eller på Mars rovers, till exempel, är gjorda av antingen kisel eller III-V material från det periodiska systemet för grundämnen. Perovskiter hänvisar till en kemisk struktur snarare än ett grundämne. De kan helst tillverkas till låg kostnad jämfört med konventionell solenergiteknik och väger också mindre.

Andra forskare har rapporterat att perovskiter kan tolerera intensiv strålning med oöverträffad hållbarhet, men det nya Joule-dokumentet ger riktlinjer för exakt hur man testar dem på jorden för det faktiska komplicerade strålningsspektrumet i olika rymdbanor.

"Detta är ett viktigt arbete", säger Haegel, centrumchef för materialvetenskap vid NREL. "Om vi ​​vill påskynda våra framsteg inom perovskiter för rymd-PV, är det viktigt att föra samman samhället och definiera de kritiska frågorna och experimenten. Perovskites är olika på flera sätt, och vi måste ompröva långvariga idéer om hur man kan effektivt utvärdera solceller för strålningsmiljön i rymden. Denna uppsats ger det bidraget."

Forskarna förlitade sig på simuleringar som kördes genom SRIM, en Monte Carlo-simulering som modellerar passagen av joner genom materia. Partikelacceleratorer används för att testa strålningstolerans, men forskarna sa att det är avgörande att välja rätt partikelenergi och att veta hur det testvillkoret relaterar till de komplexa strålningsspektra som panelerna skulle exponeras för i rymden. Arbete under ledning av Ian Sellers vid University of Oklahoma pekade på det faktum att protoner borde vara det första fokuset.

Simuleringarna modellerade skjutande protoner med olika energier vid en perovskitsolcell och bestämde hur protonstrålarna skulle interagera. Högenergiprotoner gick rakt igenom de tunna perovskitcellerna i simuleringen. Lågenergiprotonerna absorberas tillräckligt och orsakar skador på perovskitens struktur, vilket gör att forskarna sedan kan mäta hur den strålningsskadan motsvarar solcellens förmåga att producera elektricitet. Högenergiprotoner skapar mer värme i perovskiten, vilket skapar en extra komplikation i förståelsen av strålningstolerans. Detta skiljer sig från konventionella solceller där högenergiprotoner och elektroner används för att bestämma effekterna av strålning.

Forskningsresultaten är de första i vad som kommer att bli en lång rad steg mot att använda perovskiter i rymden.

"Det finns många olika sätt vi kan konstruera perovskitsolceller, så vi vill utveckla en som skulle vara specifikt bäst för rymden," sa Luther. "Detta mål kommer att involvera många iterationer mellan att skapa en ny cell, testa strålningstoleransen och använda det vi lär oss för att förbättra celldesignen."

Annan forskning kommer att behöva utföras också, inklusive hur väl perovskites hanterar de extrema temperatursvängningarna i rymden.

Kirmani sa att ytterligare arbete måste göras för att skydda, eller kapsla in, perovskitsolcellerna utan att offra deras lätta egenskaper genom att lägga till extra glas. "Vi arbetar faktiskt med den tekniken just nu och har hittat några kemiska sammansättningar som enkelt kan deponeras ovanpå perovskitmodulen på ett mycket billigt sätt utan att dramatiskt öka den totala vikten."

När en proton träffar perovskitcellen med rätt mängd energi kan en atom slås ur sin plats och orsaka en minskning av effektiviteten. Men perovskiter har förmågan att självläka. En ökning av mängden värme som strömmar genom cellen kan tvinga atomerna att falla tillbaka till rätt position. Det kräver också ytterligare forskning.

"Vi vill ta reda på hur effekten fungerar, hur den kan vara fördelaktig och om den är realistisk under lämpliga förhållanden i rymden", sa Luther.