Lo studente laureato dell'Università dell'Oklahoma, Sergio Chacon, ha aiutato la ricercatrice universitaria Rachel Penner a impostare le misurazioni delle celle solari della perovskite. Credito:Ian Sellers, Università dell'Oklahoma.
I ricercatori dell'Università dell'Oklahoma, con il National Renewable Energy Laboratory, l'Università del North Texas, il Glenn Research Center della NASA e diversi collaboratori all'interno della comunità dell'energia spaziale, hanno recentemente pubblicato un articolo sulla rivista Joule che descrive le condizioni ottimali per testare le celle solari in perovskite per lo spazio.
Le perovskiti sono un materiale utilizzato in un tipo di cella solare, che sono dispositivi che convertono la luce in energia elettrica. Ian Sellers, fisico dell'Università dell'Oklahoma e coautore dell'articolo, ha affermato che le celle solari in perovskite stanno creando entusiasmo nella comunità del fotovoltaico a causa delle loro prestazioni in rapido aumento e della loro elevata tolleranza alle radiazioni che suggerisce che potrebbero essere utilizzate per fornire alimentazione per satelliti spaziali e veicoli spaziali.
Sellers, che è anche Ted S. Webb Presidential Professor presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Homer L. Dodge presso il Dodge Family College of Arts and Sciences, e direttore associato dell'Oklahoma Photovoltaics Research Institute, ha fatto da mentore a più studenti laureati e un ricercatore post-dottorato in questo campo. L'ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio del venditore, Brandon Durant, è ora un membro del Consiglio nazionale delle ricerche che risiede presso il Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti ed è uno dei coautori dell'articolo.
"Le perovskiti sono eccitanti per molte persone nella comunità del fotovoltaico perché questo nuovo materiale di celle solari può raggiungere elevate efficienze e lo ha fatto in modo rapido e relativamente semplice", ha affermato Sellers. "Ma questi materiali hanno anche problemi significativi in termini di stabilità e resa, in particolare in condizioni atmosferiche:umidità, ossigeno degradano questo materiale, quindi è stato interessante notare che alcune persone hanno suggerito che, nonostante questi problemi di instabilità terrestre, questo sistema apparisse radiazione duro e appropriato per lo spazio."
"Il termine 'radiation hard' è usato dai ricercatori per descrivere la quantità di danno che si verifica in un oggetto o dispositivo quando è un ambiente spaziale", ha affermato Joseph Luther, uno scienziato senior del team di materiali chimici e nanoscienze presso il National Renewable Energy Laboratory . "È interessante, soprattutto con i materiali perovskite, perché i semiconduttori sono noti per essere morbidi, tuttavia la durezza delle radiazioni significa semplicemente che possono tollerare i difetti indotti dalle radiazioni senza un rapido degrado delle prestazioni."
Il problema che il team di OU, NREL e l'Università del North Texas si è prefissato di risolvere è quanto siano applicabili i test spaziali standard delle celle solari per le perovskiti.
"Quello che abbiamo scoperto è che le perovskiti sono resistenti alle radiazioni, ma non per le ragioni in cui molti credevano", ha detto Sellers. "Abbiamo scoperto che la comunità in generale non le sta testando correttamente. Le perovskiti sono film sottili e sono anche molto morbidi, quindi se si utilizzano i protocolli spaziali sviluppati per le celle solari tradizionali, l'interazione delle particelle ad alta energia è trascurabile, il che significa le perovskiti sembravano molto resistenti alle radiazioni perché, a nostro avviso, non erano state testate correttamente."
Per sviluppare un nuovo modo di testare le perovskiti, Durant ha collaborato con Bibhudutta Rout, professore associato presso il Dipartimento di Fisica dell'UNT a Denton, in Texas, per misurare la durezza delle radiazioni delle celle solari in diverse condizioni o esposizione alle radiazioni.
"Abbiamo iniziato a eseguire questi test di dipendenza dalle radiazioni molto mirati fermando in modo controllabile queste particelle in diverse parti della cella solare", ha affermato Sellers. "Quindi, invece di usare particelle ad altissima energia, stavamo usando particelle a bassa energia, in particolare i protoni, poiché queste sono più dannose per le perovskiti e sono molto diffuse nello spazio, bombardando celle solari e altri materiali nello spazio a basse energie. Quando abbiamo fatto questo, abbiamo confermato che le perovskiti sono davvero molto resistenti alle radiazioni perché sono morbide e non sono molto dense, quindi quando sono danneggiate, guariscono rapidamente."
Sellers confronta l'effetto con una vasca d'acqua. L'acqua inizia come calma. Puoi spruzzare l'acqua per creare il caos, ma tornerà alla quiete una volta che gli schizzi smetteranno.
"Queste perovskiti sono molto vicine all'essere come un liquido, quindi quando sono danneggiate, guariscono da sole", ha detto. "Le perovskiti, come una vasca d'acqua, saranno disordinate e danneggiate nello spazio, ma si sistemeranno o guariranno molto rapidamente e torneranno alla normalità. Quello che abbiamo fatto è creare un protocollo, un insieme di condizioni che le cellule di perovskite devono essere testato prima che vadano nello spazio, in modo che la comunità globale stia testando questi materiali correttamente e allo stesso modo."
Le applicazioni per questa ricerca aprono una serie di possibilità. Un'area di interesse della ricerca include lo studio dell'uso delle perovskiti in installazioni permanenti sulla luna, in particolare se le perovskiti leggere e flessibili possano essere inviate nello spazio piegate e dispiegate con successo lì, o addirittura prodotte sulla luna.
Allo stesso modo, la ricerca futura potrebbe esplorare l'utilità delle celle solari di perovskite per missioni spaziali su pianeti come Giove che hanno un ambiente con radiazioni intense o per missioni satellitari in orbite polari con livelli di radiazione elevati.
"La qualificazione spaziale di un nuovo materiale è determinata dai requisiti della missione", ha affermato Lyndsey McMillon-Brown, ingegnere e coautore della Glenn Research della NASA. "Questo lavoro è così importante perché stiamo sondando la risposta delle perovskiti alle radiazioni più rilevanti per le applicazioni a cui la NASA è più interessata."
"L'unione e la definizione di alcuni protocolli con cui la comunità spaziale federale e commerciale hanno concordato sul modo in cui questi dovrebbero essere testati è un significativo passo avanti che è pionieristico su come le perovskiti potrebbero essere dispiegate nello spazio", ha affermato Sellers.
"Conto alla rovescia per il lancio nello spazio della perovskite:linee guida per l'esecuzione di esperimenti rilevanti sulla durezza delle radiazioni" è stato pubblicato su Joule l'11 aprile 2022. Lo studio è stato condotto da Lutero ed eseguito principalmente da Ahmad Kirmani, ricercatore post-dottorato presso NREL, e Durant. + Esplora ulteriormente
