Wetenschappers van het Skoltech Center for Energy Science and Technology, het Instituut voor Problemen van Chemische Fysica van RAS, en het Department of Chemistry van MSU hebben zonnecellen gepresenteerd op basis van geconjugeerde polymeren en fullereenderivaten die een recordhoge stralingsstabiliteit vertonen en bestand zijn tegen gammastraling van> 6, 000 Gy, hoop op hun stabiele werking in een baan om de aarde gedurende 10 jaar of zelfs langer. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen &Interfaces .

Toen de Sovjet-Unie zo'n 60 jaar geleden de allereerste satelliet lanceerde, het radiosignaal dat op drie frequenties wordt uitgezonden, kan overal op aarde worden opgevangen. Echter, drie weken later viel de zender stil, al het vermogen hebben verbruikt dat wordt geleverd door de batterijen aan boord, die een groter deel van het gewicht van de satelliet uitmaakten. Er is een les geleerd van de eerste lancering, en alle satellieten die volgden, droegen zonnecellen die de energie van licht omzetten in elektriciteit om de elektronische systemen aan boord van stroom te voorzien. Siliciumzonnecellen en foto-elektrische converters op basis van de elementen uit groep 3 en 5 van het periodiek systeem (A3B5) zijn de meest voorkomende varianten ondanks hun vele nadelen, inclusief zwaar gewicht en, daarom, een lage energie-gewichtsverhouding. Om het af te maken, ze zijn kwetsbaar en worden gemakkelijk aangetast door ioniserende straling:in tegenstelling tot hoogenergetische deeltjesstromen die kunnen worden afgeweerd door inkapseling, gammastralen hebben een hoog doordringend vermogen en zijn moeilijker te hanteren. De vorming en accumulatie van stralingsgeïnduceerde defecten in een kristalstructuur van conventionele anorganische halfgeleiders veroorzaken ernstige degradatie van hun elektronische eigenschappen en snel verval van de efficiëntie van zonnecellen.

In de laatste twee decennia, organische zonnecellen hebben veel aandacht gekregen dankzij hun lichte gewicht, flexibiliteit en ongekende energie-gewichtsverhoudingen van 10 tot 20 W/g, waardoor ze een veelbelovende kandidaat zijn voor ruimtetoepassingen, hoewel hun stralingsstabiliteit nog steeds slecht wordt begrepen.

Eerder, een groep onderzoekers onder leiding van Skoltech-professor Pavel Troshin bestudeerde de stralingsstabiliteit van perovskiet-zonnecellen en toonde aan dat de huidige generatie complexe loodhalogeniden te gevoelig zijn voor gammastraling om in de ruimte te worden gebruikt. De onderzoekers waren veel optimistischer over organische zonnecellen, die in hun recente studie een uitstekende stralingsstabiliteit vertoonden.

"De carbazool-bevattende geconjugeerde polymeren die voor het onderzoek zijn geselecteerd, zorgen voor een lange levensduur en een redelijk hoge lichtconversie-efficiëntie van zonnecellen onder standaard terrestrische omstandigheden, zoals we in 2015 hebben aangetoond. we onderzoeken het gedrag van twee modellen fullereen-polymeersystemen die zijn blootgesteld aan gammastraling. Een van de twee systemen vertoonde een recordhoge stralingsstabiliteit, waarbij de zonnecellen meer dan 80% van hun initiële efficiëntie behouden na blootstelling aan 6, 500 Gy gammastraling, een dosis die satellieten in de buurt van de aarde naar schatting gedurende 10 jaar of langer ontvangen. Dit is slechts een van onze eerste resultaten in dit onderzoeksproject en we zullen doorgaan met de ontwikkeling van nog stabielere en efficiëntere organische zonnecellen voor ruimtetoepassingen, " zegt de eerste auteur van het artikel, Ilja Martynov.

De hoge stralingsstabiliteit die wordt onthuld door organische zonnecellen op basis van carbazool-bevattende geconjugeerde polymeren is indicatief voor hun uitgebreide ruimtepotentieel, met hun lichte gewicht, flexibiliteit en een hoge energie-gewichtsverhouding waardoor het ballastgewicht aanzienlijk kan worden verlaagd en het laadvermogen kan worden vergroot.

"Het inzetten van ruimtezonnezeilen gemaakt van flexibele plastic zonnecellen biedt een verleidelijke kans om de kracht van foto-elektrische converters op de satellieten op te voeren, " zegt prof. Troshin.