Финансируемое Фондом повышения оперативного энергетического потенциала Министерства обороны США (OECIF) исследование NREL было проведено для Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) с целью разработки недорогих инновационных источников энергии для обеспечения вооруженных сил по всему миру.

Это исследование является последней попыткой определить эффективность перовскитов для использования в космических приложениях, где они будут подвергаться воздействию протонов, альфа-частиц, атомарного кислорода и других стрессоров. Возможность использования перовскитов для выработки энергии в космосе привлекательна, поскольку они предлагают более дешевый и легкий вариант по сравнению с другими технологиями с потенциалом достижения эффективности, аналогичной эффективности современных космических фотоэлектрических технологий.

Так же, как и на Земле, перовскитовые солнечные элементы должны обладать соответствующей прочностью. Однако окружающая среда в космосе существенно отличается. В то время как самые большие проблемы на Земле связаны с погодой, в космосе перовскиты должны решать проблемы, возникающие в результате радиационной бомбардировки и экстремальных перепадов температур. Перовскиты демонстрируют признаки лучшей устойчивости к радиации, чем многие другие солнечные элементы, но еще предстоит провести множество испытаний.

Исследователи в прошлом году провели моделирование, чтобы продемонстрировать, как воздействие радиации в космосе повлияет на перовскиты. Они определили, что технология следующего поколения будет работать в космосе, но указали на необходимость каким-то образом инкапсулировать ячейку, чтобы обеспечить дополнительную защиту.

В последующем исследовании Ахмад Кирмани, ведущий автор последнего Природная энергия В документе говорилось, что моделирование продемонстрировало, что слой оксида кремния толщиной в микрон сохранит эффективность и увеличит срок службы перовскитовых солнечных элементов в космосе. Для сравнения, слой толщиной в микрон примерно в 100 раз тоньше обычного человеческого волоса.

Кирмани сказал, что слой оксида кремния может снизить вес обычных радиационных барьеров, используемых для других солнечных элементов, более чем на 99% и служит первым шагом к разработке легкой и недорогой упаковки для перовскитов.

Высокоэнергетические протоны проходят через перовскитовые солнечные элементы, не причиняя особого вреда. Низкоэнергетические протоны, однако, более распространены в космосе и наносят больший ущерб перовскитовым ячейкам, выбивая атомы с места и вызывая неуклонное снижение уровня эффективности. Протоны с более низкой энергией взаимодействуют с веществом гораздо легче, а добавление слоя оксида кремния защитило перовскит от повреждения даже протонами с низкой энергией.

"Мы думали, что оксид кремния не сможет обеспечить защиту от полностью проникающих частиц дальнего действия, таких как высокоэнергетические протоны и альфа-частицы", - сказал Кирмани. "Однако оксидный слой оказался на удивление хорошим барьером и против них".

Результаты подробно описаны в статье "Барьерные слои из оксида металла для наземных и космических перовскитных фотоэлектриков". Соавторами являются Дэвид Островски, Кейтлин Вансант, Розмари Браманте, Карен Хайнсельман, Цзиньхуэй Тонг, Барт Стивенс, Уильям Немет, Кай Чжу и Джозеф Лютер из NREL; и несколько ключевых сотрудников, которые работают с командой из Университета Северного Техаса и Университета Оклахомы. Вансант занимает уникальную должность постдокторского исследователя в НАСА, который проводит исследования в NREL.

Исследователи обнаружили, что воздействие потока низкоэнергетических протонов привело к тому, что незащищенные перовскитовые солнечные элементы потеряли лишь около 15% своей первоначальной эффективности. Большая концентрация частиц разрушала клетки, в то время как защищенные перовскиты демонстрировали то, что ученые описали как "замечательную устойчивость". С помощью простого барьера клетки не показали никаких повреждений.

В дополнение к тому, чтобы сделать клетки более устойчивыми в космосе, исследователи также проверили, как барьер может принести пользу в более традиционных применениях. Затем они подвергли перовскитовые солнечные элементы воздействию неконтролируемой влажности и температуры в течение нескольких дней, чтобы имитировать условия хранения. Защищенные клетки сохранили свою первоначальную эффективность в 19%, в то время как незащищенные клетки показали значительное ухудшение, с 19,4% до 10,8%. Оксидный слой также обеспечивал защиту, когда другие перовскитные композиции, обычно более чувствительные к влаге, подвергались воздействию воды.

Далее перовскитовые солнечные элементы были подвергнуты испытательной камере, где они подвергались бомбардировке ультрафиолетовыми фотонами, аналогичными окружающей среде на низкой околоземной орбите. Фотоны взаимодействовали с кислородом, образуя атомарный кислород. Незащищенные клетки были уничтожены через восемь минут. Защищенные клетки сохраняли свою первоначальную эффективность через 20 минут и лишь незначительно снижались через 30 минут.

Моделирование и эксперименты показали, что за счет уменьшения ущерба от радиации срок службы защищенных солнечных элементов, используемых на околоземных орбитах и в глубоком космосе, увеличится с месяцев до лет.

"Эффективность преобразования энергии и стабильность работы перовскитовых солнечных элементов до сих пор были двумя основными областями внимания сообщества", - сказал он. "Мы добились большого прогресса, и я думаю, что мы далеко продвинулись к тому, что, возможно, будем довольно близки к достижению тех целей, которые необходимы для индустриализации. Однако, чтобы действительно обеспечить выход на этот рынок, упаковка является следующей целью ".

Поскольку перовскитные солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую подложку, новая технология в сочетании с защитным слоем оксида кремния позволяет использовать их для различных наземных применений, таких как питание беспилотных летательных аппаратов.

NREL является основной национальной лабораторией Министерства энергетики США по исследованиям и разработкам в области возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. NREL управляется для DOE компанией Alliance for Sustainable Energy LLC.