Покрытие обеспечивает радиационный барьер для перовскитов в космосе, защиту от элементов на Земле.
Согласно недавно опубликованному исследованию Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL), сверхтонкого защитного покрытия достаточно для защиты перовскитового солнечного элемента от вредного воздействия космоса и повышения его прочности против факторов окружающей среды на Земле.
Исследование NREL было проведено для Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) с целью разработки недорогих инновационных источников энергии для питания вооруженных сил по всему миру, и соответствующая статья опубликована в Nature Energy .
Исследование является последней попыткой определить эффективность перовскитов для использования в космосе , где они будут подвергаться воздействию протонов, альфа-частиц , атомарного кислорода и других факторов стресса. Возможность использовать перовскиты для выработки энергии в космосе заманчива, потому что они предлагают более дешевый и легкий вариант по сравнению с другими технологиями с потенциалом достижения эффективности, аналогичной эффективности современных космических фотоэлектрических технологий.
Так же, как и на Земле, перовскитные солнечные элементы должны обладать соответствующей прочностью. Однако окружающая среда в космосе существенно отличается. В то время как самые большие проблемы на Земле связаны с погодой, в космосе перовскиты должны решать проблемы, связанные с радиационной бомбардировкой и резкими перепадами температуры. Перовскиты проявляют признаки лучшей устойчивости к радиации, чем многие другие солнечные элементы, но еще предстоит провести множество испытаний.
В прошлом году исследователи провели моделирование, чтобы продемонстрировать, как воздействие радиации в космосе повлияет на перовскиты. Они определили, что технология следующего поколения будет работать в космосе, но указали на необходимость каким-то образом инкапсулировать ячейку, чтобы обеспечить дополнительную защиту.
В последующем исследовании Ахмад Кирмани, ведущий автор последней статьи Nature Energy , сказал, что моделирование показало, что слой оксида кремния толщиной в микрон сохранит эффективность и увеличит срок службы перовскитных солнечных элементов в космосе. Для сравнения, слой толщиной в микрон примерно в 100 раз тоньше обычного человеческого волоса.
Кирмани сказал, что слой оксида кремния может уменьшить вес обычных радиационных барьеров, используемых для других солнечных элементов, более чем на 99%, и служит первым шагом к разработке легкой и недорогой упаковки для перовскитов.
Протоны высокой энергии проходят через солнечные элементы из перовскита, не причиняя особого вреда. Однако протоны с низкой энергией более распространены в космосе и наносят больший ущерб клеткам перовскита, выбивая атомы с места и вызывая неуклонное снижение уровня эффективности. Протоны с более низкой энергией взаимодействуют с веществом гораздо легче, а добавление слоя оксида кремния защищало перовскит от повреждений даже от протонов с низкой энергией.
«Мы думали, что оксид кремния не сможет обеспечить защиту от полностью проникающих частиц дальнего действия, таких как высокоэнергетические протоны и альфа-частицы», — сказал Кирмани. «Однако оксидный слой оказался на удивление хорошим барьером и против них».
Результаты подробно описаны в статье «Берьерные слои из оксида металла для наземных и космических перовскитных фотоэлектрических элементов». Соавторами являются Дэвид Островски, Кейтлин Вансант, Розмари Браманте, Карен Хайнзельман, Джинхуи Тонг, Барт Стивенс, Уильям Немет, Кай Чжу и Джозеф Лютер из NREL; и несколько ключевых сотрудников, которые работают с командой из Университета Северного Техаса и Университета Оклахомы. Вансант занимает уникальное положение постдокторского исследователя в НАСА, который проводит исследования в NREL.
Исследователи обнаружили, что воздействие потока низкоэнергетических протонов привело к тому, что незащищенные перовскитные солнечные элементы потеряли лишь около 15% своей первоначальной эффективности. Большая концентрация частиц разрушала клетки, в то время как защищенные перовскиты продемонстрировали то, что ученые назвали «замечательной устойчивостью». При использовании простого барьера клетки не показывали повреждений.
В дополнение к тому, что клетки стали более устойчивыми в космосе, исследователи также проверили, как барьер может принести пользу в более традиционных приложениях. Затем они подвергли солнечные элементы из перовскита воздействию неконтролируемой влажности и температуры в течение нескольких дней, чтобы имитировать условия хранения. Защищенные клетки сохранили свою первоначальную эффективность 19%, в то время как незащищенные клетки показали значительную деградацию с 19,4% до 10,8%. Оксидный слой также обеспечивал защиту, когда другие композиции перовскита, обычно более чувствительные к влаге, подвергались воздействию воды.
Далее перовскитные солнечные элементы были помещены в испытательную камеру, где их бомбардировали ультрафиолетовыми фотонами, подобными окружающей среде на низкой околоземной орбите. Фотоны взаимодействовали с кислородом, создавая атомарный кислород. Незащищенные клетки разрушались через восемь минут. Защищенные клетки сохраняли свою первоначальную эффективность через 20 минут и лишь незначительно снижали ее через 30 минут.
Моделирование и эксперименты показали, что за счет уменьшения ущерба от радиации срок службы защищенных солнечных элементов, используемых на орбитах Земли и в дальнем космосе, будет увеличен с месяцев до лет.
«Эффективность преобразования энергии и стабильность работы перовскитных солнечных элементов до сих пор были двумя основными областями внимания сообщества», — сказал он. «Мы добились большого прогресса, и я думаю, что мы подошли к тому моменту, когда мы можем быть довольно близки к достижению тех целей, которые необходимы для индустриализации. Однако, чтобы действительно обеспечить этот выход на рынок, упаковка является следующей целью».
Поскольку перовскитные солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую подложку, новая технология в сочетании с защитным слоем оксида кремния позволяет использовать их для различных наземных приложений, таких как питание дронов.
