Credit: Pixabay/CC0公共领域钙钛矿作为太阳能电池的新半导体显示出巨大的潜力，正受到越来越多的关注，也是为航天任务提供动力的潜在下一代技术。当全球的科学家继续致力于开发地球上钙钛矿的潜力时，其他人正在研究这项技术在地球轨道上的应用情况。来自国家可再生实验室(NREL)的科学家共同解决这一重要问题的合作研究工作制定了测试打算在空间使用的钙钛矿耐辐射性能的准则。
“辐射在地球上并不是一个真正令人担忧的问题，但随着我们向越来越高的高度移动，辐射会变得越来越强烈，”NREL大学的博士后研究员艾哈迈德·基尔马尼说，他是新论文“钙钛矿空间发射倒计时:执行相关辐射硬度实验的指南”的第一作者，该论文发表在《焦耳》杂志上。
到达地球的辐射往往主要是光子，或来自太阳的光，太阳能电池吸收这些光并用来发电。然而，在太空中，辐射以质子、电子、中子、阿尔法粒子和伽马射线的形式来自四面八方。这为包括太阳能电池在内的许多电子设备的运行创造了一个不适宜的环境。因此，当研究人员开发用于空间应用的新技术时，必须进行仔细的思考和严格的测试，以确保该技术能够在操作环境中长时间发挥作用。
“当你试图用基于地球的测试来模拟太空中的辐射时，这是非常具有挑战性的，因为你必须考虑许多不同的粒子和相关的粒子能量，它们对太阳能电池内的各个层有不同的影响。这完全取决于你打算在太空中的什么地方使用这项技术，以及那里已知会发生什么样的特定辐射事件，”论文的合著者、NREL大学化学材料和纳米科学团队的高级科学家Joseph Luther说。
他在NREL的同事Nancy Haegel、David Ostrowski、马克·斯达格和Kaitlyn VanSant对论文有贡献，kait Lyn van sant是在NREL工作的NASA博士后项目研究员。
其他参与的研究人员来自俄克拉荷马大学、喷气推进实验室、加州理工学院、航空航天公司、科罗拉多大学博尔德分校、NASA格伦研究中心、北德克萨斯大学和美国空军研究实验室。贡献者是太阳能电池辐射测试领域的专家。他们的投入导致了对如何测试用于空间应用的钙钛矿太阳能电池的共识。
这项研究是NREL科学家最近的合作，他们对把钙钛矿放入太空感兴趣。去年见证了per ovskites的太空耐久性测试。钙钛矿电池被固定在国际空间站的外部，部分是为了观察它们如何应对辐射。
例如，用于轨道卫星或火星探测器的太阳能电池是由硅或元素周期表中的III-V材料制成的。钙钛矿指的是化学结构而不是元素。与传统太阳能技术相比，它们的制造成本更低，重量也更轻。
其他研究人员报告说，钙钛矿可以耐受强辐射，具有前所未有的耐用性，但新的焦耳论文提供了指导方针，说明如何在地球上测试它们在各种空间轨道上的实际复杂辐射光谱。
“这是一项重要的工作，”NREL材料科学中心主任黑格尔说。“如果我们想加快空间光伏用钙钛矿的进展，重要的是将社区聚集在一起，确定关键问题和实验。钙钛矿在许多方面都是不同的，我们必须重新思考长期以来关于如何有效评估太阳能电池在太空辐射环境中的作用的观点。这篇论文做出了这样的贡献。”
研究人员依赖于通过SRIM运行的模拟，这是一种模拟离子通过物质的蒙特卡罗模拟。粒子加速器用于测试辐射耐受性，但研究人员表示，选择正确的粒子能量以及了解测试条件与面板在太空中暴露的复杂辐射光谱之间的关系至关重要。俄克拉何马大学的Ian Sellers领导的工作指出质子应该是最初的焦点。
模拟模拟了在钙钛矿太阳能电池上发射不同能量的质子，并确定了质子束如何相互作用。在模拟中，高能质子直接穿过了薄薄的钙钛矿电池。低能质子被充分吸收，并对钙钛矿的结构造成损害，使研究人员能够测量辐射损害与太阳能电池发电能力的关系。高能质子在钙钛矿中产生更多的热量，这使得对辐射耐受性的理解更加复杂。这不同于传统的太阳能电池，在传统的太阳能电池中，高能质子和电子被用来确定辐射的影响。
这项研究发现是在太空中使用钙钛矿的一系列步骤中的第一步。
“我们有许多不同的方法可以构建钙钛矿太阳能电池，所以我们想开发一种特别适合太空的方法，”路德说。“这一目标将涉及制造新电池、测试辐射耐受性和使用我们学到的知识来改进电池设计之间的多次迭代。”
还需要进行其他研究，包括钙钛矿如何处理太空中的极端温度波动。
Kirmani说，必须做额外的工作来保护或封装钙钛矿太阳能电池，而不是通过添加额外的玻璃来牺牲它们的轻质特性。“事实上，我们正在研究这项技术，并发现了一些化学成分，可以很容易地以非常低的成本沉积在钙钛矿模块的顶部，而不会大幅增加总重量。”
当一个质子以适当的能量撞击钙钛矿电池时，一个原子可能会被撞飞，导致效率下降。然而，钙钛矿拥有自我修复的能力。流过电池的热量的增加会迫使原子退回到正确的位置。这也需要更多的研究。
“我们想知道这种效应是如何起作用的，它是如何有益的，以及在太空中适当的条件下这是否现实，”路德说。
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