Vijf verschillende soorten zonnecellen, vervaardigd door onderzoeksteams van het Georgia Institute of Technology, zijn aangekomen bij het International Space Station (ISS) om te worden getest op hun stroomconversie en het vermogen om te werken in de ruwe ruimteomgeving als onderdeel van de MISSE-12 missie. Een type cel, gemaakt van goedkope organische materialen, is niet eerder uitgebreid getest in de ruimte.

Op koolstof nanobuisjes gebaseerde fotovoltaïsche cellen die zijn ontworpen om licht vanuit elke hoek op te vangen, zullen worden geëvalueerd op hun vermogen om efficiënt energie te produceren, ongeacht hun oriëntatie op de zon. Andere cellen gemaakt van perovskietmaterialen en een goedkoop koper-zink-tin-sulfide (CZTS) materiaal - samen met een controlegroep van traditionele op silicium gebaseerde cellen - behoren tot de 20 fotovoltaïsche (PV) apparaten die op de Materials International worden geplaatst Space Station Experiment Flight Facility aan de buitenkant van het ISS voor een evaluatie van zes maanden. Voor twee van de cellen geldt de lancering markeerde hun tweede reis naar de ruimte.

"De onderzoeksvragen zijn hetzelfde voor alle fotovoltaïsche cellen:kunnen deze foto-absorbers effectief worden gebruikt in de ruimte?" zei Jud Ready, hoofdonderzoeksingenieur bij het Georgia Tech Research Institute (GTRI), associate director van Georgia Tech's Center for Space Technology and Research, en adjunct-directeur van Georgia Tech's Institute for Materials. "Met deze toets we zullen inzicht krijgen in de afbraakmechanismen van deze materialen en hun stroomproductie onder verschillende omstandigheden kunnen vergelijken."

Organische zonnecellen die zijn ontwikkeld in het laboratorium van professor Bernard Kippelen van Georgia Tech, worden bij lage temperaturen verwerkt met behulp van op oplossingen gebaseerde processen over grote gebieden om cellen te produceren met een absorber die ongeveer 200 keer dunner kan zijn dan de breedte van een mensenhaar.

"Met een zeer laag gewicht en energieconversie-efficiëntiewaarden tot 16%, organische zonnecellen kunnen vermogenswaarden van honderdduizenden watt per kilogram actief materiaal opleveren, wat zeer aantrekkelijk is voor ruimtetoepassingen, zei Kippelen, de Joseph M. Pettit Professor in de School of Electrical and Computer Engineering. "Echter, de effecten van continue blootstelling van deze apparaten in een ruimteomgeving zijn niet grondig onderzocht. Onze interesse gaat uit naar het onderzoeken van de robuustheid van de interfaces gevormd in deze apparaten in een ruimteomgeving, en om ons begrip van de degradatiemechanismen van organische zonnecellen in de ruimte te verbeteren."

Traditionele platte zonnecellen zijn het meest efficiënt wanneer het zonlicht er direct boven staat. Omdat de richting van de zonnestroom varieert met de baan, grote ruimtevoertuigen zoals het ISS gebruiken mechanische aanwijsmechanismen om de cellen goed gericht te houden. Die complexe mechanismen zorgen voor onderhoudsproblemen, echter, en zijn te zwaar voor gebruik op zeer kleine ruimtevaartuigen zoals CubeSats.

Om het aanwijsprobleem op te lossen, Het team van Ready ontwikkelde 3D-getextureerde zonnecellen die op efficiënte wijze zonlicht kunnen opvangen dat onder verschillende hoeken binnenkomt. De cellen gebruiken "torens" gemaakt van koolstofnanobuisjes en bedekt met PV-materiaal om licht op te vangen dat van standaardcellen zou kaatsen als ze niet naar de zon gericht zijn.

"Met onze lichtvangende structuur, we zijn agnostisch voor de hoek van de zon, " zei Ready. "Onze cellen werken eigenlijk beter bij kijkhoeken. Op CubeSats, dat zal een efficiënte opname mogelijk maken, ongeacht de oriëntatie van de zon."

Perovskietcellen geproduceerd in het laboratorium van Zhiqun Lin, hoogleraar aan de School of Materials Science and Engineering, zal ook getest worden. Deze materialen hebben bekende faalmechanismen die worden veroorzaakt door vocht- en zuurstofopname. "Deze twee faalmechanismen zullen niet aanwezig zijn aan de buitenkant van het internationale ruimtestation, dus deze test stelt ons in staat om de prestaties van deze materialen te zien zonder die problemen. We zouden moeten kunnen bepalen of deze bekende problemen andere oorzaken van degradatie kunnen maskeren, ' zei Klaar.

CZTS-materialen zijn mogelijk zonnecellen van de volgende generatie die bestaan ​​uit goedkope, Aardrijke materialen:koper, zink, tin en zwavel. De materialen hebben een hoge absorptiecoëfficiënt en zijn mogelijk bestand tegen straling - handig voor toepassingen in de ruimte - en bieden een aantrekkelijke afweging tussen kosten en prestaties, Klaar zei.

Op silicium gebaseerde zonnecellen, geproduceerd door het University Centre of Excellence in Photovoltaic Research and Education van Georgia Tech, zullen een manier bieden om de prestaties van de andere cellen te vergelijken. Het laboratorium, onder leiding van Regents Professor Ajeet Rohatgi van de School of Electrical and Computer Engineering, voorzagen met borium gedoteerde p-type cellen van een met fosfor gedoteerde n+ emitter en met aluminium gedoteerde p+ achteroppervlak.

"Deze silicium foto-absorberende cellen zullen dienen als controles om de prestaties van andere foto-absorberende materialen in de ruimte te vergelijken, ' zei Rohatgi.

De 20 PV-cellen zullen kort samengaan met drie andere cellen die zijn gefabriceerd door Georgia Tech-onderzoekers die al op het ISS staan. Die drie, en twee op de nieuwste missie, deel uitmaakten van een experiment uit 2016 dat geen gegevens kon vastleggen, hoewel het wel informatie gaf over de effecten van de ruimteomgeving op de zonnecellen.

De fotovoltaïsche cellen van Georgia Tech werden op 2 november naar het ISS gelanceerd aan boord van de S.S. Alan Bean, een Northrop Grumman Cygnus-ruimtevaartuig van NASA's Wallops Island Facility, als onderdeel van een routine-bevoorradingsmissie. Voor hun testen, de cellen werden geïntegreerd in een testpakket door Alpha Space Test &Research Alliance uit Houston.

Naast de al genoemde, het project omvatte ook Canek Fuentes-Hernandez, Matthew Rager, Jager Chan, Christoffel Tran, Christoffel Blancher, Zhitao Kang en Conner Awald en Brian Rounsaville, allemaal van Georgia Tech.