Scienziati dello Skoltech Center for Energy Science and Technology, l'Istituto per i problemi di fisica chimica della RAS, e il Dipartimento di Chimica della MSU hanno presentato celle solari basate su polimeri coniugati e derivati ​​del fullerene che dimostrano una stabilità alle radiazioni record e resistono alle radiazioni gamma di> 6, 000 Gy, suscitando speranze per il loro funzionamento stabile in orbita vicina alla Terra per 10 anni o anche di più. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS .

Quando l'Unione Sovietica ha lanciato il primo satellite circa 60 anni fa, il suo segnale radio trasmesso a tre frequenze potrebbe essere catturato ovunque sulla Terra. Però, tre settimane dopo il trasmettitore tacque, aver consumato tutta la potenza fornita dalle batterie di bordo che rappresentavano una parte maggiore del peso del satellite. Una lezione è stata appresa dal primo lancio, e tutti i satelliti che seguirono trasportavano celle solari che convertono l'energia della luce in elettricità per alimentare i sistemi elettronici di bordo. Le celle solari al silicio e i convertitori fotoelettrici basati sugli elementi dei gruppi 3 e 5 della tavola periodica (A3B5) sono le varietà più comuni nonostante i loro molteplici inconvenienti, compreso il peso elevato e, perciò, un basso rapporto energia-peso. Ed infine, sono fragili e facilmente influenzabili dalle radiazioni ionizzanti:a differenza dei flussi di particelle ad alta energia che possono essere respinti dall'incapsulamento, i raggi gamma hanno un'elevata capacità di penetrazione e sono più difficili da gestire. La formazione e l'accumulo di difetti indotti dalle radiazioni in una struttura cristallina dei semiconduttori inorganici convenzionali causano un grave degrado delle loro proprietà elettroniche e un rapido decadimento dell'efficienza delle celle solari.

Negli ultimi due decenni, le celle solari organiche hanno attirato molta attenzione grazie al loro peso leggero, flessibilità e rapporti energia-peso senza precedenti da 10 a 20 W/g, che li rendono un candidato promettente per applicazioni spaziali, sebbene la loro stabilità alle radiazioni sia ancora poco conosciuta.

Prima, un gruppo di ricercatori guidati dal professore di Skoltech Pavel Troshin ha studiato la stabilità alle radiazioni delle celle solari di perovskite e ha dimostrato che gli alogenuri di piombo complessi della generazione attuale sono troppo sensibili ai raggi gamma per essere utilizzati nello spazio. I ricercatori erano molto più ottimisti riguardo alle celle solari organiche, che hanno mostrato un'eccellente stabilità alle radiazioni nel loro recente studio.

"I polimeri coniugati contenenti carbazolo selezionati per lo studio garantiscono una lunga durata operativa e un'efficienza di conversione della luce piuttosto elevata delle celle solari in condizioni terrestri standard, come abbiamo dimostrato nel 2015. In questo articolo, esaminiamo il comportamento di due sistemi modello fullerene-polimero esposti ai raggi gamma. Uno dei due sistemi ha mostrato una stabilità alle radiazioni record, con le celle solari che mantengono oltre l'80% della loro efficienza iniziale dopo l'esposizione a 6, 500 Gy di raggi gamma, una dose che si stima che i satelliti in orbita vicino alla Terra ricevano durante 10 anni o più. Questo è solo uno dei nostri primi risultati in questa spinta di ricerca e perseguiremo lo sviluppo di celle solari organiche ancora più stabili ed efficienti per applicazioni spaziali, "dice il primo autore dell'articolo, Ilya Martynov.

L'elevata stabilità alle radiazioni rivelata dalle celle solari organiche basate su polimeri coniugati contenenti carbazolo è indicativa del loro ampio potenziale spaziale, con il loro peso leggero, flessibilità e un elevato rapporto energia-peso che consentono una significativa riduzione del peso della zavorra e un aumento del carico utile.

"La distribuzione di vele solari spaziali realizzate con celle solari di plastica flessibile rappresenta un'opportunità allettante per aumentare la potenza dei convertitori fotoelettrici sui satelliti, "dice il prof. Troshin.