Работу перовскитных солнечных батарей впервые проверили в космосе
Они оказались в десятки раз эффективнее обычных кремниевых батарей
Немецкие физики впервые отправили перовскитные солнечные батареи в космос и доказали, что они могут работать в подобных условиях. Более того: они и в космосе в десятки раз превзошли неорганические аналоги по соотношению эффективности и массы. Результаты экспериментов опубликовал научный журнал Joule.
"Первый полет наших перовскитных органических солнечных батарей в космос стал огромным шагом в их развитии. С одной стороны, это достижение показало, что их можно использовать в безвоздушном пространстве, а с другой оно потенциально расширит область их применения и на Земле", - рассказал один из авторов работы, профессор Мюнхенского технологического университета Петер Мюллер-Бушбаум.
Перовскиты - это гибкие и легкие полупроводниковые материалы с необычными свойствами и структурой. По устройству они похожи на природный минерал перовскит, который хорошо поглощает свет и превращает его в другие формы энергии.
У кремния и других полупроводников, которые могут поглощать свет, обычно симметричная кристаллическая структура. Поэтому когда частицы света "выбивают" из них электроны, то те могут двигаться внутри таких полупроводников в самые разные стороны. У перовскита же, напротив, структура более сложная. Она связана с тем, как внутри него расположены "кубы" из атомов металлов и восьмигранники из атомов кислорода.
Эти структуры особым образом взаимодействуют друг с другом, благодаря чему электроны внутри перовскитов двигаются только в одном направлении. Это значительно повышает КПД солнечных батарей на их основе: они преобразуют в электричество от 25 до 27% энергии света Солнца, что очень близко к теоретическому максимуму.
Батареи для полетов в дальний космос
Несмотря на все плюсы, перовскитные солнечные батареи еще никогда не использовали на борту космических кораблей или околоземных спутников. Поэтому ученые не могут точно сказать, насколько хорошо они переносят работу в безвоздушном пространстве и в открытом космосе. Там эти батареи постоянно будут находиться под космическими лучами и частицами солнечного ветра.
Физики из Германии закрыли этот пробел, проведя первые эксперименты с перовскитными солнечными батареями на борту исследовательской ракеты Mapheus 8. Ее запустили в космос в июне 2019 года. Тогда ракета поднялась на высоту в 240 километров от поверхности от Земли.
Помимо научной аппаратуры на борту Mapheus 8 было восемь перовскитных и других органических батарей, а также датчики, с помощью которых ученые следили за уровенм освещенности панелей, напряжением и силой производимого ими тока, а также за множеством других параметров.
Ученые отслеживали состояние фотоэлементов во время взлета ракеты, ее семиминутного полета в открытом космосе, а также после того, как она вошла обратно в плотные слои атмосферы. Результаты показали, что перовскиты пережили запуск в космос и постоянную бомбардировку частицами высоких энергий.
В среднем при высоком уровне освещенности они вырабатывали от 7 до 14 милливатт энергии на каждый квадратный сантиметр поверхности. Это в десятки раз больше, чем у обычных кремниевых солнечных батарей с учетом разницы в их массе. Вдобавок перовскитные солнечные батареи не переставали работать при уходе в тень той части корпуса ракеты, к которому они были прикреплены.
"Наши батареи хорошо поглощали не только прямой солнечный свет, но и рассеянное излучение. Это говорит о том, что подобные батареи можно будет устанавливать на космические аппараты, которые запускают в глубокий космос, где обычные солнечные батареи просто не работают. Это значительно расширит применение подобных источников питания при изучении и освоении космического пространства", - подытожил Мюллер-Бушбаум.