宇宙ミッションでの NREL ペロブスカイト太陽電池のテスト

記事の礼儀 NREL.
ウェイン・ヒックス

晴れた夜には、KaitlynVanSantが彼女の作品を気まぐれに見ることができます。しかし、彼女のプロジェクトの成功を知るには、国際宇宙ステーションへの彼女の小さな一時的な追加が地球に戻るまで待たなければなりません。

「私の家族と私は間違いなく夜にもっと頻繁に見上げています」と、昨年コロラド鉱山学校で材料科学の博士号を取得したVanSantは言いました。現在、NASAのポスドク研究員であるヴァンサントは、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）で独自の共同任命を行っています。

NRELとNASAのペアリングは、太陽光発電と宇宙の間の長年の同盟を続けています。火星探査機や宇宙探査機の発電には、太陽に向けられた特殊な太陽光発電（PV）パネルが使用されてきましたが、これらの高効率太陽電池の製造コストは、地球で使用するには高すぎます。 NRELの研究者は、地上アプリケーションのコストを削減する方法をテストし、PV技術が宇宙でも機能する方法を変革しています。

最新のテストでは、宇宙でのペロブスカイト太陽電池の潜在的な使用を評価し、それらのセルで使用される材料の耐久性を評価します。 VanSantは、NRELでAhmad Kirmani、Joey Luther、Severin Habisreutinger、Rosie Bramante、Dave Ostrowski、Brian Wieliczka、Bill Nemethと協力して、ペロブスカイトセルと材料を準備しました。これらのサンプルのうち25つは、2022月に宇宙ステーションに打ち上げられる予定であり、XNUMXのサンプルの別のセットは、XNUMX年の春に打ち上げられます。それぞれのサイズがXNUMX平方インチのサンプルは、Materials International SpaceStationの一部です。実験（MISSE）プログラムであり、軌道を回るプラットフォームの外側に固定されます。

国際宇宙ステーション（ISS）は、軌道を回る研究所および天文台として機能し、天文学、物理学、材料科学など、さまざまな分野で科学実験を行っています。

NASAグレンの太陽光発電グループの電気技師であるティモシーペシェクは、次のように述べています。クリーブランドの研究センターとVanSantのポスドクアドバイザー。「これは実際の操作です。」

Peshekは、PV実験を宇宙ステーションに戻すことを承認し、参加を希望する可能性のある研究者を呼びかけました。 NRELの材料物理学研究グループの研究者であるAdeleTamboliは、この機会を歓迎し、PeshekをVanSantに紹介しました。

「国立再生可能エネルギー研究所との提携は非常に理にかなっています」と、NRELの元ポスドク研究員であるPeshekは述べています。「彼らは初日に行く準備ができている設備と能力を持っていました。」

このペロブスカイトサンプルは中間結晶相にあり、完全に結晶化するためにホットプレート上に配置されようとしています。デニスシュルーダー、NRELによる写真

地球上の太陽光発電は、シリコンモジュールから生成される傾向があります。宇宙で使用されているものなど、他のPV技術は、周期表のIII列とV列の材料に依存しており、III-Vセルと呼ばれています。科学者たちは、シリコンの層の上にIII-Vセルを積み重ねて、太陽光を捕らえて電気に変換する効率を高める実験を行っています。それ自体で、最も効率的なシリコン太陽電池は、典型的な地上の太陽スペクトルの下で測定した場合、約26％です。（太陽のスペクトルは地球と宇宙で異なります。）

Tamboliは、2017％の効率のトリプルジャンクションセルを含む、シリコン上のIII-Vセルの記録を35.9年に設定した研究グループのXNUMXつでした。彼女は、VanSantとスタッフの科学者であるEmily Warrenと共に、これらのタイプのセルが低軌道の衛星に電力を供給するための用途を見つけることができると後で提案しました。それが起こる前に、セルは宇宙の極端な条件でテストされなければなりませんでした。

月が過酷な愛人である場合、宇宙自体も同様に残酷なものになる可能性があります。機器は温度の極端な変動にさらされ、太陽放射の衝撃を受けます。 ISSが地球の後ろに移動し、太陽から離れると、気温は華氏250度より250度低くなります。日光に当たると、気温がゼロよりXNUMX度高くなります。

「それは厳しいです」とペシェクは言いました。「それはかなり残酷な環境です。」

「放射線による損傷が要因です」とウォーレンは言いました。「私たちの記録セルはシリコン上のガリウム砒素でした、そして私たちが送ったものは実際にはシリコン上のガリウムインジウムリンです。それは、これらの材料の方が耐放射線性が高いことがわかっているからです。」

SpaceXの貨物補給宇宙船は、2020年XNUMX月にNRELのIII-V-on-silicon太陽電池をISSに運びました。 III-V-on-siliconタンデム太陽電池を中心とした研究は、NRELのMichelleYoungとJohnGeiszと協力して、MISSEプロジェクトのプロトタイプセルを製造し、それを宇宙に運ぶロケット打ち上げの放送を見ました。

「私はXNUMX人の娘と一緒にそれを見ました」とVanSantは言いました。「彼らはそれから本当のキックを得ました。つまり、完全に魅了されなければ、宇宙への発射を実際に見ることはできません。宇宙への発射について誰もがっかりすることはできません。」

プロトタイプは、10月に地球に返還される前にISSの外部に貼り付けられてXNUMXか月を費やしました。

「セルの飛行後の分析により、設計をどのように進化させ、性能を向上させたいかを研究し、これが宇宙に電力を供給する技術である可能性があるかどうかを確認する機会が得られます」とVanSant氏は述べています。

現在、彼女はペロブスカイト太陽電池と材料の待機ゲームをプレイしています。これらはISSでXNUMXか月を費やすと予想されています。このプロセスは、宇宙への真っ直ぐなショットではありません。 NRELの後、セルはヒューストンの会社であるAlphaspaceに出荷されます。この会社は、MISSEプラットフォームで操作するためのサンプルを準備し、SpaceXの飛行に乗って実験の開始を手配します。

ペロブスカイト太陽電池は、化学物質の混合物を使用して成長し、太陽光をエネルギーに利用する効率が急速に向上することで注目に値します。進行中の実験には、ペロブスカイトセルを商用利用するための準備が含まれます。初期のペロブスカイト細胞は急速に分解しました。進歩はありましたが、まだやるべきことがあります。

「これは本当に興味深い問題です」とペシェク氏は言います。「これらの細胞は分解の問題があることで有名だからです。しかし、それらが劣化する理由は、水分と酸素のためです。宇宙ではそれについて心配する必要はありません。」

NRELの上級科学者であり、プロジェクトの共同顧問であり、ペロブスカイト技術の専門家であるジョセフ・ルーサー氏は、放射線試験施設で実施された地球結合実験は、ペロブスカイト太陽電池が驚くほど放射線に耐性があることを示しています。「それらは非常に薄いので、それは大いに役立ちます。放射線のほとんどはちょうどそれらを通り抜けます。シリコンは、ペロブスカイトと比較して、数百倍厚いです。また、生産規模が大きいため非常に安価であり、地上のPVアプリケーションには最適ですが、宇宙では非常に厚いため、放射線が表面に当たると吸収されてセルに損傷を与え、問題を引き起こします。」

軽量のペロブスカイト太陽電池は、ペイロードを軌道に乗せるための価格を、今日の10,000ポンドあたり約XNUMXドルから、四半世紀以内にXNUMXポンドあたり数百ドルに削減するというNASAの継続的な使命に適合します。

「私たちはIII-V太陽電池の効率を一致させることに非常に興味がありますが、それは非常に軽量なセル設計で行います」とルーサー氏は述べています。「ペロブスカイトは、比較的軽量なプラスチックや金属箔などに堆積させることができます。」

太陽電池の効率は、NRELを離れる前に測定され、戻ったときに再度測定されます。セルとセルの構成材料の両方も、飛行の前後に特性評価され、スティーブ・ジョンストンによって提供されるイメージングの専門知識が提供されます。ペロブスカイトの細胞と材料がどれだけうまく旅を生き延びたかはすぐに明らかになります。 NASAグレンリサーチセンターの研究エンジニアであり、ペショクと協力してペロブスカイトを宇宙に運ぶ取り組みの主任研究員であるリンジーマクミロンブラウン氏は、色の変化が最初の手がかりになると述べた。

「ペロブスカイト太陽電池の望ましい相は黒色相です」と彼女は言いました。「この映画は真っ黒です。しかし、これらが劣化すると、黄色がかったマスタード色に変わります。ですから、戻ってきたときに黒い映画を見たいと思っています。」

ペロブスカイトが宇宙で過ごした時間から学んだ教訓は、地上で技術を助けることができます。「私たちが宇宙で直面していることのいくつかは、極端な温度サイクル、極端なUV曝露など、極端ですが、ここ地球にいるときは、まだUV曝露があり、温度サイクルがあります」とMcMillon-Brown氏は述べています。「それはそれほど迅速で頻繁ではありません。私たちは、学んだ教訓と調査結果が適用され、ペロブスカイトの市場性を高め、地球上でもより大きな商業市場シェアを獲得するのに役立つと今でも考えています。」

ペロブスカイトサンプルが返されるのを待っている間、VanSantは進行中の作業の定期的なリマインダーを受け取ります。彼女はISSが頭上に見える時期についてのテキスト通知にサインアップしました。時が来て、7歳と9歳の娘が目を覚ましているとき、彼らは宇宙ステーションを見つけようとします。

「ISSが夜空を通り過ぎるのを見ることに加えて、ISSが軌道を回るときに地球が通り過ぎるのを示すISSの外のカメラからのNASAのビデオ映像も見ました」とVanSantは言いました。「これらのセルの発売は、夜空を見上げるための素晴らしい思い出になりましたが、まったく異なる視点から物事を見る機会でもありました。」

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