การเดินทางในอวกาศ

ได้รับทุนสนับสนุนจากกองทุน Operational Energy Capability Improvement Fund (OECIF) ของกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ การวิจัย NREL จัดทำขึ้นสำหรับห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศ (AFRL) เพื่อพัฒนาแหล่งพลังงานนวัตกรรมต้นทุนต่ำสำหรับส่งกำลังให้กับกองทัพทั่วโลก งานวิจัยนี้เป็นความพยายามล่าสุดในการระบุประสิทธิภาพของเพอร์รอฟสเกตสำหรับการใช้งานในอวกาศ ซึ่งจะต้องสัมผัสกับโปรตอน อนุภาคแอลฟา ออกซิเจนอะตอม และตัวสร้างความเครียดอื่นๆ ความสามารถในการใช้ perovskites เพื่อผลิตพลังงานในอวกาศเป็นสิ่งที่น่าดึงดูดใจ เนื่องจากพวกมันเสนอตัวเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าและน้ำหนักเบาสำหรับเทคโนโลยีอื่นๆ ที่มีศักยภาพในการบรรลุประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกับเทคโนโลยี PV ในอวกาศในปัจจุบัน เช่นเดียวกับบนโลก เซลล์แสงอาทิตย์ perovskite จำเป็นต้องมีความทนทานที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อมในอวกาศนั้นแตกต่างกันอย่างมาก แม้ว่าความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดบนโลกจะเกี่ยวข้องกับสภาพอากาศ แต่ในอวกาศ perovskites จะต้องจัดการกับปัญหาที่มาจากการทิ้งระเบิดของรังสีและอุณหภูมิที่แปรปรวนอย่างรุนแรง Perovskites แสดงสัญญาณของความทนทานต่อรังสีได้ดีกว่าเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ แต่ยังมีการทดสอบอีกมาก ปีที่แล้ว นักวิจัยได้ทำการจำลองสถานการณ์เพื่อแสดงให้เห็นว่าการได้รับรังสีในอวกาศจะส่งผลต่อเพอร์รอฟสไกต์อย่างไร พวกเขาพิจารณาว่าเทคโนโลยีรุ่นต่อไปจะทำงานในอวกาศได้ แต่ชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการห่อหุ้มเซลล์ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งเพื่อเพิ่มการป้องกัน ในการวิจัยติดตามผล Ahmad Kirmani ผู้เขียน บทความ Nature Energyฉบับล่าสุดกล่าวว่าการจำลองแสดงให้เห็นว่าชั้นซิลิคอนออกไซด์หนาไมครอนจะช่วยรักษาประสิทธิภาพและเพิ่มอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite ในอวกาศ เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ชั้นที่หนาไมครอนนั้นบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ทั่วไปประมาณ 100 เท่า Kirmani กล่าวว่าชั้นซิลิกอนออกไซด์สามารถลดน้ำหนักของสิ่งกีดขวางการแผ่รังสีแบบเดิมที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ ได้มากกว่า 99% และทำหน้าที่เป็นขั้นตอนแรกในการออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่มีน้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำสำหรับ perovskites โปรตอนพลังงานสูงเดินทางผ่านเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายมากนัก อย่างไรก็ตามโปรตอนพลังงานต่ำมีอยู่มากมายในอวกาศและสร้างความหายนะให้กับเซลล์เพอรอฟสไกต์มากขึ้นโดยการทำให้อะตอมหลุดออกจากตำแหน่งและทำให้ระดับประสิทธิภาพลดลงอย่างต่อเนื่อง โปรตอนที่พลังงานต่ำกว่าจะทำปฏิกิริยากับสสารได้ง่ายกว่ามาก และการเพิ่มชั้นซิลิกอนออกไซด์ก็ป้องกันเพอร์รอฟสไกต์จากความเสียหายแม้จากโปรตอนพลังงานต่ำ Kirmani กล่าวว่า "เราคิดว่าคงเป็นไปไม่ได้ที่ซิลิกอนออกไซด์จะป้องกันอนุภาคระยะไกลที่ทะลุทะลวงได้อย่างเต็มที่ เช่น โปรตอนพลังงานสูงและอนุภาคแอลฟา" "อย่างไรก็ตาม ชั้นออกไซด์กลายเป็นเกราะป้องกันที่ดีอย่างน่าประหลาดใจสำหรับสิ่งเหล่านั้นเช่นกัน" ผลลัพธ์มีรายละเอียดอยู่ในกระดาษ "ชั้นกั้นโลหะออกไซด์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite บนบกและ อวกาศ " ผู้เขียนร่วมคือ David Ostrowski, Kaitlyn VanSant, Rosemary Bramante, Karen Heinselman, Jinhui Tong, Bart Stevens, William Nemeth, Kai Zhu และ Joseph Luther จาก NREL; และผู้ทำงานร่วมกันหลักหลายคนที่ทำงานร่วมกับทีมจาก University of North Texas และ University of Oklahoma VanSant ดำรงตำแหน่งพิเศษในการเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ NASA ซึ่งดำเนินการวิจัยที่ NREL นักวิจัยพบว่าการสัมผัสกับกระแสของโปรตอนพลังงานต่ำทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ perovskite ที่ไม่มีการป้องกันสูญเสียประสิทธิภาพเริ่มต้นเพียง 15% เท่านั้น อนุภาคที่มีความเข้มข้นมากขึ้นได้ทำลายเซลล์ ในขณะที่เพอร์รอฟสกี้ที่ได้รับการปกป้องได้แสดงให้เห็นถึงสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าเป็น "ความยืดหยุ่นที่น่าทึ่ง" ด้วยสิ่งกีดขวางธรรมดา เซลล์ไม่แสดงความเสียหาย นอกเหนือจากการทำให้เซลล์มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในอวกาศแล้ว นักวิจัยยังได้ทดสอบว่าสิ่งกีดขวางสามารถให้ประโยชน์ในการใช้งานแบบเดิมได้อย่างไร จากนั้นพวกเขาก็นำเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ไปสัมผัสกับความชื้นและอุณหภูมิที่ไม่มีการควบคุมเป็นเวลาหลายวันเพื่อเลียนแบบสภาพการเก็บรักษา เซลล์ที่ได้รับการป้องกันยังคงมีประสิทธิภาพเริ่มต้นที่ 19% ในขณะที่เซลล์ที่ไม่ได้รับการป้องกันมีการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญจาก 19.4% เป็น 10.8% ชั้นออกไซด์ยังให้การป้องกันเมื่อองค์ประกอบ perovskite อื่น ๆ ที่ไวต่อความชื้นสัมผัสกับน้ำ นอกจากนี้ เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ยังถูกนำไปไว้ในห้องทดสอบซึ่งพวกมันถูกระดมยิงด้วยโฟตอนรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งคล้ายกับสภาพแวดล้อมที่วงโคจรระดับต่ำของโลก โฟตอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างอะตอมออกซิเจน เซลล์ที่ไม่มีการป้องกันถูกทำลายหลังจากแปดนาที เซลล์ที่ได้รับการปกป้องยังคงรักษาประสิทธิภาพเริ่มต้นไว้ได้หลังจากผ่านไป 20 นาที และลดลงเพียงเล็กน้อยหลังจากผ่านไป 30 นาที การจำลองและการทดลองเปิดเผยว่าการลดความเสียหายจากรังสี อายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ได้รับการปกป้องซึ่งใช้ในวงโคจรของโลกและห้วงอวกาศจะเพิ่มขึ้นจากเดือนเป็นปี "ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและความเสถียรในการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite เป็นสองจุดสนใจหลักสำหรับชุมชนจนถึงตอนนี้" เขากล่าว "เรามีความคืบหน้าไปมาก และฉันคิดว่าเรามาไกลถึงจุดที่เราอาจเกือบจะบรรลุเป้าหมายที่จำเป็นสำหรับอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถเข้าสู่ตลาดนี้ได้อย่างแท้จริง บรรจุภัณฑ์คือเป้าหมายต่อไป" เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์สามารถวางลงบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ ควบคู่ไปกับชั้นป้องกันของซิลิกอนออกไซด์ จึงช่วยให้สามารถใช้งานได้บนภาคพื้นดินต่างๆ เช่น การให้พลังงานแก่โดรน NREL เป็นห้องปฏิบัติการหลักระดับชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐสำหรับการวิจัยและพัฒนาพลังงานหมุนเวียนและประสิทธิภาพพลังงาน NREL ดำเนินการสำหรับ DOE โดย Alliance for Sustainable Energy LLC