Organiczne ogniwa słoneczne są znane ze swojej elastyczności i lekkości. To sprawia, że są atrakcyjne w zastosowaniach kosmicznych, gdzie waga i zdolność dopasowywania się do zakrzywionych powierzchni mają ogromne znaczenie
Urszula Lesman
Reklama
Aby zapuścić się w głąb kosmosu, agencje kosmiczne i firmy muszą najpierw pokonać przeszkodę w postaci niezawodnych źródeł zasilania. Krzem i arsenek galu to najczęściej wybierane materiały do budowy ogniw słonecznych, ale pojawia się nowy konkurent: organiczne ogniwa słoneczne. Ogniwa te, wykonane z materiałów na bazie węgla, oferują kilka zalet: są lekkie, elastyczne i potencjalnie tańsze w produkcji. Jednak ich trwałość w trudnych warunkach kosmicznych pozostaje głównym znakiem zapytania.
Reklama
Jak szkodzi promieniowanie kosmiczne?
Niedawne badanie przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Michigan zajęło się wpływem promieniowania protonowego – głównego zagrożenia w kosmosie – na organiczne ogniwa słoneczne. Poprzednie badania nad organicznymi ogniwami słonecznymi w kosmosie dotyczyły głównie ich ogólnej wydajności po narażeniu na promieniowanie.
Nowe badanie skupia się na podstawowych mechanizmach molekularnych, które prowadzą do pogorszenia wydajności ogniw. „Półprzewodniki krzemowe nie są stabilne w kosmosie z powodu promieniowania protonowego pochodzącego ze słońca” – powiedział Yongxi Li, pierwszy autor badania. „Testowaliśmy organiczne ogniwa fotowoltaiczne z protonami, ponieważ są one uważane za najbardziej szkodliwe cząstki w kosmosie dla materiałów elektronicznych” – dodał Li.
Arsenek galu jest popularnym wyborem w misjach kosmicznych ze względu na swoją wysoką wydajność. Może przekształcić znaczną część światła słonecznego w energię elektryczną. Ponadto jest odporny na szkodliwe działanie protonów, których jest dużo w kosmosie. Ma jednak również pewne wady. Na przykład arsenek galu jest drogim materiałem w produkcji. Z drugiej strony, podobnie jak krzem, jest stosunkowo ciężki i trudny do zgięcia, co może ograniczać jego zastosowanie w misjach kosmicznych.
Reklama Reklama
Tymczasem organiczne ogniwa słoneczne są znane ze swojej elastyczności i lekkości. To sprawia, że są atrakcyjne w zastosowaniach kosmicznych, gdzie waga i zdolność dopasowywania się do zakrzywionych powierzchni mają ogromne znaczenie.
Bezpieczne misje kosmiczne
Badanie naukowców z Uniwersytetu Michigan miało na celu ocenę niezawodności organicznych ogniw słonecznych w trudnych warunkach kosmicznych, aby określić ich przydatność do przyszłych misji. Wykazano, że organiczne ogniwa słoneczne wykonane z małych cząsteczek były wysoce odporne na promieniowanie protonowe. Ogniwa te nie wykazywały uszkodzeń po trzech latach narażenia na promieniowanie. Jednak ogniwa wykonane z bardziej złożonych struktur polimerowych doświadczyły znacznego spadku wydajności, tracąc około połowy swojej pierwotnej wydajności.
Naukowcy odkryli, że promieniowanie protonowe może rozrywać wiązania chemiczne w polimerze, tworząc „pułapki elektronowe”, które utrudniają przepływ prądu. „Odkryliśmy, że protony rozszczepiają niektóre łańcuchy boczne, co pozostawia pułapkę elektronową, która pogarsza wydajność ogniw słonecznych” – powiedział Stephen Forrest, profesor inżynierii Peter A. Franken Distinguished University na U-M.
Zespół odkrył, że te „pułapki” można naprawić, delikatnie podgrzewając ogniwa. Sugeruje to możliwość tworzenia samonaprawiających się ogniw słonecznych, które mogłyby skutecznie działać w kosmosie.
„Można to naprawić poprzez wyżarzanie termiczne lub podgrzewanie ogniwa słonecznego. Możemy jednak znaleźć sposoby na wypełnienie pułapek innymi atomami, eliminując ten problem” – powiedział Forrest.
Badanie sugeruje, że organiczne ogniwa słoneczne skierowane w stronę Słońca mogłyby potencjalnie samonaprawiać się w wysokich temperaturach (około 100°C), co zaobserwowano w warunkach laboratoryjnych. „Pozostaje jednak pytanie, czy naprawa ta będzie nadal zachodzić w próżni kosmicznej? Czy naprawa będzie wystarczająco niezawodna w przypadku długich misji?” – stwierdzili naukowcy w komunikacie prasowym.
