Perovskieten, die een enorm potentieel hebben getoond als een nieuwe halfgeleider voor zonnecellen, krijgen aandacht, evenals een potentiële technologie van de volgende generatie om ook ruimtevaartmissies aan te drijven. Terwijl wetenschappers over de hele wereld zich blijven inspannen om het potentieel van perovskieten op aarde te benutten, onderzoeken anderen hoe goed de technologie zou kunnen werken in de baan van de planeet.

Een gezamenlijke onderzoeksinspanning om dit belangrijke probleem gezamenlijk aan te pakken, waarbij wetenschappers van het National Renewable Laboratory (NREL) betrokken zijn, stelt richtlijnen op om de stralingstolerante eigenschappen van perovskieten die bedoeld zijn voor gebruik in de ruimte te testen.

"Straling is niet echt een zorg op aarde, maar wordt steeds intenser naarmate we naar steeds grotere hoogten gaan", zegt Ahmad Kirmani, een postdoctoraal onderzoeker bij NREL en hoofdauteur van het nieuwe artikel, "Aftellen naar de lancering van de perovskietruimte:richtlijnen voor het uitvoeren van relevante stralingshardheidsexperimenten", die verschijnt in Joule .

Straling die de aarde bereikt, is meestal fotonen, of licht van de zon, die zonnecellen absorberen en gebruiken om elektriciteit op te wekken. In de ruimte komt straling echter uit alle richtingen in de vorm van protonen, elektronen, neutronen, alfadeeltjes en gammastralen. Dit creëert een onherbergzame omgeving voor de werking van veel elektronische apparaten, waaronder zonnecellen. Daarom moeten onderzoekers, aangezien onderzoekers nieuwe technologieën voor ruimtetoepassingen ontwikkelen, zorgvuldig nadenken en rigoureuze tests uitvoeren om er zeker van te zijn dat de technologie voor een langere periode in de operationele omgeving kan functioneren.

"Als je de straling in de ruimte probeert na te bootsen met een op aarde gebaseerde test, is dat een hele uitdaging omdat je rekening moet houden met veel verschillende deeltjes en de bijbehorende deeltjesenergie, en ze hebben verschillende invloeden op verschillende lagen in de zonnecel. Het hangt allemaal af over waar je van plan bent om de technologie in de ruimte te laten werken en welke specifieke stralingsgebeurtenissen daar plaatsvinden", zegt Joseph Luther, co-auteur van het artikel en een senior wetenschapper in het Chemical Materials and Nanoscience-team bij NREL.

Zijn NREL-collega's die aan de krant hebben bijgedragen, zijn Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger en Kaitlyn VanSant, een postdoctoraal onderzoeker van het NASA-programma bij NREL.

Andere betrokken onderzoekers zijn verbonden aan de University of Oklahoma, het Jet Propulsion Laboratory, het California Institute of Technology, The Aerospace Corporation, de University of Colorado-Boulder, NASA Glenn Research Center, de University of North Texas en het US Air Force Research Laboratory. De bijdragers zijn experts op het gebied van stralingstests van zonnecellen. Hun input resulteerde in een consensus over hoe het testen van perovskiet-zonnecellen voor ruimtetoepassingen moet worden aangepakt.

Het onderzoek is de nieuwste samenwerking tussen NREL-wetenschappers die geïnteresseerd zijn in het in de ruimte brengen van perovskieten. Vorig jaar werden perovskieten getest op duurzaamheid in de ruimte. De perovskietcellen werden gedeeltelijk aan de buitenkant van het internationale ruimtestation ISS bevestigd om te zien hoe ze zouden omgaan met blootstelling aan straling.

Zonnecellen die bijvoorbeeld zijn gebruikt om in een baan om satellieten of op de Mars-rovers te draaien, zijn gemaakt van silicium of III-V-materialen uit het periodiek systeem der elementen. Perovskieten verwijzen naar een chemische structuur in plaats van een element. Ze kunnen idealiter tegen lage kosten worden vervaardigd in vergelijking met conventionele zonnetechnologieën en wegen ook minder.

Andere onderzoekers hebben gemeld dat perovskieten intense straling kunnen verdragen met een ongekende duurzaamheid, maar het nieuwe Joule-papier biedt richtlijnen over hoe ze precies op aarde kunnen worden getest op het werkelijke gecompliceerde stralingsspectrum in verschillende banen in de ruimte.

"Dit is een belangrijk stuk werk", zegt Haegel, centrumdirecteur voor Materials Science bij NREL. "Als we onze vooruitgang op het gebied van perovskieten voor ruimte-PV willen versnellen, is het belangrijk om de gemeenschap bij elkaar te brengen en de kritische vragen en experimenten te definiëren. Perovskieten zijn verschillend, op meerdere manieren, en we moeten lang gekoesterde ideeën over hoe we zonnecellen effectief evalueren voor de stralingsomgeving in de ruimte. Dit artikel levert die bijdrage."

De onderzoekers vertrouwden op simulaties die werden uitgevoerd via SRIM, een Monte Carlo-simulatie die de doorgang van ionen door materie modelleert. Deeltjesversnellers worden gebruikt om stralingstolerantie te testen, maar de onderzoekers zeiden dat het van cruciaal belang is om de juiste deeltjesenergie te selecteren en te weten hoe die testconditie zich verhoudt tot de complexe stralingsspectra waaraan de panelen in de ruimte zouden worden blootgesteld. Werk onder leiding van Ian Sellers aan de Universiteit van Oklahoma wees erop dat protonen de eerste focus zouden moeten zijn.

De simulaties modelleerden het schieten van protonen met verschillende energieën bij een perovskiet-zonnecel en bepaalden hoe de protonenbundels zouden interageren. In de simulatie gingen hoogenergetische protonen dwars door de dunne perovskietcellen. De laagenergetische protonen worden voldoende geabsorbeerd en veroorzaken schade aan de structuur van de perovskiet, waardoor de onderzoekers kunnen meten hoe die stralingsschade overeenkomt met het vermogen van de zonnecel om elektriciteit te produceren. Hoogenergetische protonen creëren meer warmte in de perovskiet, wat een extra complicatie creëert bij het begrijpen van stralingstolerantie. Dit verschilt van conventionele zonnecellen waar hoogenergetische protonen en elektronen worden gebruikt om de effecten van straling te bepalen.

De onderzoeksresultaten zijn de eerste in wat een lange reeks stappen zal zijn in de richting van het gebruik van perovskieten in de ruimte.

"Er zijn veel verschillende manieren waarop we perovskiet-zonnecellen kunnen bouwen, dus we willen er een ontwikkelen die specifiek het beste is voor de ruimte", zei Luther. "Dit doel omvat veel iteraties tussen het maken van een nieuwe cel, het testen van de stralingstolerantie en het gebruiken van wat we leren om het celontwerp te verbeteren."

Er zal ook ander onderzoek moeten worden gedaan, waaronder hoe goed perovskieten omgaan met de extreme temperatuurschommelingen in de ruimte.

Kirmani zei dat er extra werk moet worden gedaan om de perovskiet-zonnecellen te beschermen of in te kapselen zonder hun lichtgewicht eigenschappen op te offeren door extra glas toe te voegen. "We werken momenteel aan die technologie en hebben een paar chemische samenstellingen gevonden die gemakkelijk op een zeer goedkope manier bovenop de perovskietmodule kunnen worden gedeponeerd zonder het totale gewicht drastisch te verhogen."

Wanneer een proton de perovskietcel met de juiste hoeveelheid energie raakt, kan een atoom van zijn plaats worden geslagen en een daling van de efficiëntie veroorzaken. Perovskieten hebben echter het vermogen om zichzelf te genezen. Een toename van de hoeveelheid warmte die door de cel stroomt, kan de atomen dwingen terug te vallen in de juiste positie. Dat vereist ook aanvullend onderzoek.

"We willen weten hoe het effect werkt, hoe het gunstig kan zijn en of het realistisch is onder de juiste omstandigheden in de ruimte", zei Luther.