Солнечные батареи широко применяются в качестве источника энергии для орбитальных космических аппаратов. При этом огромное значение играет вес солнечных панелей, который влияет на полезную нагрузку ракетоносителей и на стоимость выведения космических аппаратов на орбиту. Таким образом на передний план, помимо КПД солнечных ячеек, также выходит такой параметр как удельная мощность (производимая энергия на единицу массы). В этой связи перовскитные солнечные панели (PSC) являются крайне перспективной технологией для применения в космическом пространстве. Так, известно, что специально разработанные для космических аппаратов солнечные ячейки имеют имеют удельную мощность <1 Вт/г, а ячейки на основе арсенида галлия <3 Вт/г. Недавно было продемонстрировано, что PSC достигают удельной мощности до 29,4 Вт/г [1]. Помимо снижения затрат, это создает возможности для проектирования новых космических миссий, таких как полеты в дальний космос на солнечной энергии и эффективные электрические двигатели.
С другой стороны при использовании ячеек в космическом пространстве на первый план выходит вопрос стабильности фотоэлектрических панелей, поскольку он определяет срок службы космических аппаратов на орбите.
Солнечные панели должны выдерживать запуск и после этого подвергаться экстремальным условиям окружающей среды, таким солнечное излучение AM0, космическое излучение, сверхвысокий вакуум и огромные перепады температур [2].
На начало 2022 года эффективность преобразования солнечной энергии PSC превысила 25.5%, что близко к рекордным показателям для кристаллического кремния (~26.6%). Предыдущие лабораторные испытания исследовали воздействие различных условий окружающей среды с весьма многообещающими результатами с точки зрения стабильности материала. Действительно, отсутствие кислорода снижает химическую деградацию перовскитных солнечных элементов при сильном воздействии УФ. Деградация перовскитных солнечных элементов, рассматриваемая как основная проблема стабильности, практически отсутствует в космосе. С другой стороны, вакуумные условия могут увеличивать выделение газов и способствовать индуцированному светом образованию дефектов и миграции ионов в перовскитных солнечных элементах. Экстремальные температуры ± 80 °C вызывают обратимое падение эффективности перовскитных солнечных элементов. Однако как при слабом освещении, так и при низких температурах, а также во внешней части солнечной системы элементы эффективно генерируют энергию.
При этом важнейшим фактором в условиях космоса может оказаться воздействие излучения космических частиц. С одной стороны перовскитные солнечные ячейки демонстрируют превосходную радиационную стойкость по сравнению с кремниевыми или космическими солнечными элементами с тройным соединением, а также демонстрируют эффекты восстановления и самовосстановления после воздействия, что делает их особенно интересными для применения на орбитах с сильным облучением [3]. Кроме того, есть значительный потенциал для дальнейшего повышения радиационной стабильности перовскитных солнечных батарей за счет направленного дизайна новых материалов и архитектуры фотовольтаических устройств.
Данный проект направлен на исследование радиационно-стимулированных процессов в перовскитных солнечных ячейках и подбор наиболее стабильных составов и архитектуры солнечных батарей для работы в условиях космоса. В рамках данного проекта будут продолжены исследования, итогом которых должна стать не только разработка перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью (>20%), но и в первую очередь должны быть созданы батареи, обладающие рекордной радиационной стабильностью по отношению к пучкам заряженных частиц. Таким образом, реализация проекта позволит создать научно-технологические основы для внедрения перовскитной фотовольтаики в космической отрасли промышленности РФ.
[1] Kang, S. et al. J. Mater. Chem. A 7, 1107–1114
[2] Thirsk, R. et al. CMAJ 180, 1216–1220
[3] F. Lang et al. Adv. Mater., 28 (2016), pp. 8726-8731
Ожидаемые результаты:
Основной целью проекта является создание радиационно-стойких солнечных батарей на основе гибридных металлоорганических перовскитов с высокой эффективностью преобразования солнечной энергии, которые можно было бы применять в качестве источников энергии для космических аппаратов.
Эта задача будет решаться совместно с организацией-партнером за счет проведения систематических и комплексных исследований, нацеленных как на исследование радиационно-стимулированных процессов в активном слое батарей и на интерфейсах с зарядово-транспортными слоями, так и на получение новых фотоактивных материалов и зарядово-транспортных слоев с высокой стойкостью к ионизирующему излучению в сочетании с оптимальными электрическими характеристиками.
Основными результаты проекта станет понимание радиационно-стимулированных процессов и механизмов дефектообразования в солнечных ячейках на основе перовскитов с учётом применения различных зарядово-транспортных слоёв. Полученные результаты будут использованы для разработки новых подходов к повышению радиационной устойчивости органометаллических перовскитов в сочетании с сохранением высокой эффективности и малого веса солнечной ячейки.
Итогом работ организации-партнера станет разработка оптимальных составов и зарядово-транспортных слоёв для солнечных ячеек, имеющих высокую устойчивость по отношению к ионизирующему излучению: устройства сохранят более 90% начального к.п.д. после воздействия электронов (10 МэВ и/или 0,5 МэВ, флюенс 10^16 см-2) и протонов (18-25 МэВ, флюенс 10^14 см-2). Кроме того, разработанные солнечные элементы будут обладать эффективностью преобразования солнечного света более 20 % и демонстрировать высокую термо- и фотохимическую устойчивость.
Таким образом междисциплинарность подхода основана на сочетании радиационной физики твердых тел и синтеза новых материалов. Планируется, применение вычислительных методов не только к описанию процессов, но и к проектированию материалов.
Данный проект ориентирован на создание технологических заделов, обеспечивающих развитие космической отрасли Российской Федерации. Проект полностью соответствует направлению Н2 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
Перовскитные солнечные батареи способны вырабатывать в пересчете на единицу массы в десятки раз больше энергии, чем используемые сейчас батареи на основе кристаллического кремния и GaAs. Внедрение легких и гибких перовскитных солнечных батарей позволит увеличить полезную нагрузку и расширить функционал космических аппаратов, а также снизить стоимость их вывода на орбиту.
Органометаллические и полностью неорганические перовскиты, на основе галогенидов свинца, демонстрирующие высокую радиационную устойчивость являются перспективными материалами не только для солнечных батарей космических аппаратов, но и для светодиодов. В частности, такие материалы, как CsPbIxBr3-x, демонстрируют высокую стабильность и яркость свечения (Adv. Funct. Mater. 2021, 2105813). С учетом этого, светодиоды на основе перовскитных материалов сейчас активно исследуются с целью их применения в оптотехнике. Таким образом исследование и создание радиационно-стойких перовскитов на основе галогенидов свинца открывает также и перспективы для создания оптоэлектронных устройств для применения в условиях ионизирующих излучений (например при исследовании механических дефектов в атомных реакторах или для освещения горячих камер).
С учетом вышесказанного, реализация данного проекта будет иметь важное социальное, экономическое и технологическое значение. Ожидаемые результаты будут соответствовать передовому международному уровню или превосходить его, что будет подтверждено публикациями в ведущих международных журналах.