Eine ultradünne Schutzbeschichtung erweist sich als ausreichend, um eine Perowskit-Solarzelle vor den schädlichen Auswirkungen des Weltraums zu schützen und sie gegen Umwelteinflüsse auf der Erde zu härten, so eine neu veröffentlichte Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums.
Die NREL-Forschung wurde vom Operational Energy Capability Improvement Fund (OECIF) des US-Verteidigungsministeriums finanziert und für das Air Force Research Laboratory (AFRL) durchgeführt, um kostengünstige innovative Energiequellen für die weltweite Stromversorgung der Streitkräfte zu entwickeln.
Die Forschung ist der jüngste Versuch, die Wirksamkeit von Perowskiten für den Einsatz in Weltraumanwendungen zu bestimmen, wo sie Protonen, Alpha-Partikeln, atomarem Sauerstoff und anderen Stressoren ausgesetzt wären. Die Möglichkeit, Perowskite zur Stromerzeugung im Weltraum zu verwenden, ist verlockend, da sie eine kostengünstigere und leichtere Option für andere Technologien mit dem Potenzial bieten, ähnliche Wirkungsgrade wie aktuelle Weltraum-PV-Technologien zu erreichen.
Wie auf der Erde müssen Perowskit-Solarzellen eine entsprechende Haltbarkeit aufweisen. Die Umgebung im Weltraum ist jedoch erheblich anders. Während die größten Herausforderungen auf der Erde mit dem Wetter zusammenhängen, müssen Perowskite im Weltraum die Probleme lösen, die durch Strahlungsbeschuss und extreme Temperaturschwankungen entstehen. Perowskite zeigen Anzeichen einer besseren Strahlungstoleranz als viele andere Solarzellen, aber es müssen noch viele Tests durchgeführt werden.
Forscher führten im vergangenen Jahr Simulationen durch, um zu demonstrieren, wie sich die Strahlenbelastung im Weltraum auf Perowskite auswirken würde. Sie stellten fest, dass die Technologie der nächsten Generation im Weltraum funktionieren würde, wiesen jedoch auf die Notwendigkeit hin, die Zelle auf irgendeine Weise einzukapseln, um zusätzlichen Schutz zu bieten.
In der Folgeforschung Ahmad Kirmani, Hauptautor der neuesten Energie der Natur Papier, besagten Simulationen, dass eine mikrometerdicke Schicht aus Siliziumoxid die Effizienz erhalten und die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen im Weltraum verlängern würde. Zum Vergleich: Die Mikrometer dicke Schicht ist etwa 100-mal dünner als ein typisches menschliches Haar.
Kirmani sagte, die Siliziumoxidschicht könne das Gewicht herkömmlicher Strahlungsbarrieren, die für andere Solarzellen verwendet werden, um mehr als 99 % reduzieren und diene als erster Schritt zur Entwicklung leichter und kostengünstiger Verpackungen für Perowskite.
Hochenergetische Protonen wandern durch Perowskit-Solarzellen, ohne viel Schaden anzurichten. Niederenergetische Protonen sind jedoch im Weltraum häufiger anzutreffen und richten mehr Chaos auf Perowskit-Zellen an, indem sie Atome aus der Position schlagen und dazu führen, dass der Wirkungsgrad stetig abnimmt. Die niederenergetischen Protonen interagieren viel leichter mit Materie, und das Hinzufügen der Siliziumoxidschicht schützte den Perowskit vor Schäden, selbst durch die niederenergetischen Protonen.
„Wir hielten es für unmöglich, dass das Siliziumoxid Schutz vor vollständig eindringenden Teilchen mit großer Reichweite wie den hochenergetischen Protonen und Alpha-Teilchen bietet“, sagte Kirmani. „Allerdings erwies sich die Oxidschicht auch dagegen als überraschend gute Barriere.“
Die Ergebnisse sind detailliert in dem Papier „Metalloxid-Barriereschichten für terrestrische und Weltraum-Perowskit-Photovoltaik.” Die Co-Autoren sind David Ostrowski, Kaitlyn VanSant, Rosemary Bramante, Karen Heinselman, Jinhui Tong, Bart Stevens, William Nemeth, Kai Zhu und Joseph Luther von NREL; und mehrere wichtige Mitarbeiter, die mit dem Team der University of North Texas und der University of Oklahoma zusammenarbeiten. VanSant hat die einzigartige Position eines Postdoktoranden bei der NASA, der am NREL forscht.
Die Forscher fanden heraus, dass die Exposition gegenüber einem Strom niederenergetischer Protonen dazu führte, dass ungeschützte Perowskit-Solarzellen nur etwa 15 % ihrer ursprünglichen Effizienz verloren. Eine größere Konzentration von Partikeln zerstörte die Zellen, während die geschützten Perowskite zeigten, was die Wissenschaftler als „eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit“ bezeichneten. Mit der einfachen Barriere zeigten die Zellen keine Schäden.
Die Forscher machten die Zellen nicht nur widerstandsfähiger im Weltraum, sondern testeten auch, wie die Barriere in konventionelleren Anwendungen Vorteile bieten könnte. Anschließend setzten sie die Perowskit-Solarzellen mehrere Tage lang einer unkontrollierten Feuchtigkeits- und Temperaturumgebung aus, um die Lagerbedingungen nachzuahmen. Die geschützten Zellen behielten ihre anfängliche Effizienz von 19 %, während die ungeschützten Zellen eine signifikante Verschlechterung von 19,4 % auf 10,8 % zeigten. Die Oxidschicht bot auch Schutz, wenn andere Perowskit-Zusammensetzungen, die typischerweise feuchtigkeitsempfindlicher waren, Wasser ausgesetzt wurden.
Außerdem wurden die Perowskit-Solarzellen einer Testkammer ausgesetzt, in der sie mit ultravioletten Photonen bombardiert wurden, ähnlich der Umgebung in einer erdnahen Umlaufbahn. Die Photonen interagierten mit Sauerstoff, um atomaren Sauerstoff zu erzeugen. Die ungeschützten Zellen wurden nach acht Minuten zerstört. Die geschützten Zellen behielten ihre anfängliche Leistungsfähigkeit nach 20 Minuten bei und hatten nur einen leichten Abfall nach 30 Minuten.
Die Simulationen und Experimente zeigten, dass durch die Reduzierung der Strahlungsschäden die Lebensdauer der geschützten Solarzellen, die in der Erdumlaufbahn und im Weltraum eingesetzt werden, von Monaten auf Jahre verlängert werden würde.
„Leistungsumwandlungseffizienz und Betriebsstabilität von Perowskit-Solarzellen waren bisher die beiden Hauptschwerpunkte der Community“, sagte er. „Wir haben große Fortschritte gemacht und ich denke, wir sind weit an dem Punkt angelangt, an dem wir den für die Industrialisierung erforderlichen Zielen ziemlich nahe kommen könnten. Um diesen Markteintritt jedoch wirklich zu ermöglichen, ist die Verpackung das nächste Ziel.“
Da Perowskit-Solarzellen auf einem flexiblen Substrat abgeschieden werden können, ermöglicht die aufkommende Technologie in Verbindung mit der Schutzschicht aus Siliziumoxid ihre Verwendung für verschiedene terrestrische Anwendungen wie den Antrieb von Drohnen.
NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energien und Energieeffizienz. NREL wird für DOE von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.
Mit freundlicher Genehmigung von NREL
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