Le perovskiti, che hanno mostrato un enorme potenziale come nuovo semiconduttore per le celle solari, stanno attirando l'attenzione così come una potenziale tecnologia di prossima generazione per alimentare anche missioni spaziali. Mentre gli scienziati di tutto il mondo continuano gli sforzi per sfruttare il potenziale delle perovskiti sulla Terra, altri stanno esaminando quanto bene la tecnologia potrebbe funzionare nell'orbita del pianeta.

Uno sforzo di ricerca collaborativa per affrontare collettivamente questo importante problema che coinvolge scienziati del National Renewable Laboratory (NREL) definisce linee guida per testare le proprietà di tolleranza alle radiazioni delle perovskiti destinate all'uso nello spazio.

"Le radiazioni non sono realmente un problema sulla Terra, ma diventano sempre più intense man mano che ci spostiamo ad altitudini sempre più elevate", ha affermato Ahmad Kirmani, ricercatore post-dottorato presso NREL e autore principale del nuovo documento, "Conto alla rovescia per il lancio nello spazio della perovskite:linee guida per l'esecuzione di esperimenti rilevanti sulla durezza delle radiazioni", che appare in Joule .

Le radiazioni che raggiungono la Terra tendono a essere principalmente fotoni, o luce del sole, che le celle solari assorbono e utilizzano per generare elettricità. Nello spazio, invece, la radiazione proviene da tutte le direzioni sotto forma di protoni, elettroni, neutroni, particelle alfa e raggi gamma. Questo crea un ambiente inospitale per il funzionamento di molti dispositivi elettronici, comprese le celle solari. Pertanto, poiché i ricercatori sviluppano nuove tecnologie per applicazioni spaziali, è necessario eseguire un'attenta riflessione e test rigorosi per essere certi che la tecnologia possa funzionare per un lungo periodo nell'ambiente operativo.

"Quando si tenta di imitare la radiazione nello spazio con un test basato sulla Terra, è molto impegnativo perché bisogna considerare molte particelle diverse e l'energia delle particelle associate, e hanno influenze diverse sui vari strati all'interno della cella solare. Tutto dipende su dove intendi far funzionare la tecnologia nello spazio e quali specifici eventi di radiazioni si verificano lì", ha affermato Joseph Luther, coautore dell'articolo e scienziato senior nel team di materiali chimici e nanoscienze presso NREL.

I suoi colleghi NREL che hanno contribuito al documento sono Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger e Kaitlyn VanSant, che è una borsista del programma post-dottorato della NASA che lavora presso NREL.

Altri ricercatori coinvolti sono con l'Università dell'Oklahoma, il Jet Propulsion Laboratory, il California Institute of Technology, l'Aerospace Corporation, l'Università del Colorado-Boulder, il NASA Glenn Research Center, l'Università del North Texas e il US Air Force Research Laboratory. I contributori sono esperti nell'area dei test di radiazione delle celle solari. Il loro contributo ha portato a un consenso su come affrontare il test delle celle solari in perovskite per applicazioni spaziali.

La ricerca è l'ultima collaborazione che coinvolge scienziati NREL interessati a mettere le perovskiti nello spazio. L'anno scorso sono stati testati i test delle perovskiti per la durata nello spazio. Le celle di perovskite sono state fissate all'esterno della Stazione Spaziale Internazionale, in parte per vedere come avrebbero gestito l'esposizione alle radiazioni.

Le celle solari che sono state utilizzate per i satelliti in orbita o sui rover su Marte, ad esempio, sono realizzate con silicio o materiali III-V della tavola periodica degli elementi. Le perovskiti si riferiscono a una struttura chimica piuttosto che a un elemento. Idealmente possono essere prodotti a basso costo rispetto alle tecnologie solari convenzionali e pesano anche meno.

Altri ricercatori hanno riferito che le perovskiti possono tollerare radiazioni intense con una durata senza precedenti, ma il nuovo documento di Joule offre linee guida su come testarle esattamente sulla Terra per l'effettivo spettro di radiazioni complicato in varie orbite spaziali.

"Questo è un lavoro importante", ha affermato Haegel, direttore del centro per la scienza dei materiali presso NREL. "Se vogliamo accelerare i nostri progressi nelle perovskiti per il fotovoltaico spaziale, è importante riunire la comunità e definire le domande e gli esperimenti critici. Le perovskiti sono diverse, in molteplici modi, e dobbiamo ripensare idee di lunga data su come valutare efficacemente le celle solari per l'ambiente di radiazione nello spazio. Questo documento fornisce quel contributo."

I ricercatori si sono basati su simulazioni eseguite tramite SRIM, una simulazione Monte Carlo che modella il passaggio degli ioni attraverso la materia. Gli acceleratori di particelle vengono utilizzati per testare la tolleranza alle radiazioni, ma i ricercatori hanno affermato che è di fondamentale importanza selezionare la giusta energia delle particelle e sapere in che modo tale condizione di test si collega ai complessi spettri di radiazione a cui i pannelli sarebbero esposti nello spazio. Il lavoro condotto da Ian Sellers presso l'Università dell'Oklahoma ha evidenziato il fatto che i protoni dovrebbero essere l'obiettivo iniziale.

Le simulazioni hanno modellato la ripresa di protoni con varie energie in una cella solare di perovskite e hanno determinato il modo in cui i fasci di protoni avrebbero interagito. I protoni ad alta energia sono passati attraverso le sottili celle di perovskite nella simulazione. I protoni a bassa energia vengono adeguatamente assorbiti e danneggiano la struttura della perovskite, consentendo ai ricercatori di misurare in che modo il danno da radiazioni corrisponda alla capacità della cella solare di produrre elettricità. I protoni ad alta energia creano più calore all'interno della perovskite, il che crea un'ulteriore complicazione nella comprensione della tolleranza alle radiazioni. Questo differisce dalle celle solari convenzionali in cui vengono utilizzati protoni ed elettroni ad alta energia per determinare gli effetti della radiazione.

I risultati della ricerca sono i primi di quella che sarà una lunga serie di passi verso l'utilizzo delle perovskiti nello spazio.

"Ci sono molti modi diversi in cui possiamo costruire celle solari in perovskite, quindi vogliamo svilupparne una che sia specificamente la migliore per lo spazio", ha detto Luther. "Questo obiettivo comporterà molte iterazioni tra la creazione di una nuova cellula, il test della tolleranza alle radiazioni e l'utilizzo di ciò che impariamo per migliorare il design della cellula".

Sarà necessario condurre anche altre ricerche, incluso il modo in cui le perovskiti gestiscono bene gli sbalzi di temperatura estremi nello spazio.

Kirmani ha affermato che è necessario fare ulteriore lavoro per proteggere o incapsulare le celle solari in perovskite senza sacrificare le loro proprietà leggere aggiungendo ulteriore vetro. "Stiamo infatti lavorando a questa tecnologia in questo momento e abbiamo trovato alcune composizioni chimiche che possono essere facilmente depositate sopra il modulo di perovskite a un costo molto basso senza aumentare drasticamente il peso totale."

Quando un protone colpisce la cellula di perovskite con la giusta quantità di energia, un atomo può essere messo fuori posto e causare un calo di efficienza. Tuttavia, le perovskiti possiedono la capacità di autoguarigione. Un aumento della quantità di calore che fluisce attraverso la cella può costringere gli atomi a ricadere nella posizione corretta. Ciò richiede anche ulteriori ricerche.

"Vogliamo scoprire come funziona l'effetto, come potrebbe essere benefico e se è realistico nelle condizioni appropriate nello spazio", ha detto Luther.