Des scientifiques du Skoltech Center for Energy Science and Technology, l'Institut des Problèmes de Physique Chimique du RAS, et le Département de chimie de MSU ont présenté des cellules solaires à base de polymères conjugués et de dérivés de fullerène qui démontrent une stabilité aux rayonnements record et résistent aux rayonnements gamma de> 6, 000 Gy, laissant espérer leur fonctionnement stable en orbite proche de la Terre sur 10 ans ou même plus. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Alors que l'Union soviétique lançait le tout premier satellite il y a environ 60 ans, son signal radio transmis à trois fréquences pourrait être capté n'importe où sur Terre. Cependant, trois semaines plus tard, l'émetteur s'est tu, ayant consommé toute la puissance fournie par les batteries embarquées qui représentaient une plus grande partie du poids du satellite. Une leçon a été tirée du premier lancement, et tous les satellites qui ont suivi ont transporté des cellules solaires qui convertissent l'énergie de la lumière en électricité pour alimenter les systèmes électroniques embarqués. Les cellules solaires au silicium et les convertisseurs photoélectriques basés sur les éléments des groupes 3 et 5 du tableau périodique (A3B5) sont les variétés les plus courantes malgré leurs multiples inconvénients, y compris les poids lourds et, donc, un faible rapport poids/énergie. Pour couronner le tout, elles sont fragiles et facilement affectées par les rayonnements ionisants :contrairement aux flux de particules à haute énergie qui peuvent être repoussés par encapsulation, les rayons gamma ont une capacité de pénétration élevée et sont plus difficiles à gérer. La formation et l'accumulation de défauts induits par le rayonnement dans une structure cristalline de semi-conducteurs inorganiques conventionnels provoquent une grave dégradation de leurs propriétés électroniques et une dégradation rapide de l'efficacité des cellules solaires.

Au cours des deux dernières décennies, les cellules solaires organiques ont attiré beaucoup d'attention grâce à leur légèreté, flexibilité et des rapports poids/énergie sans précédent de 10 à 20 W/g, qui en font un candidat prometteur pour les applications spatiales, bien que leur stabilité aux radiations soit encore mal comprise.

Plus tôt, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Skoltech Pavel Troshin a étudié la stabilité aux radiations des cellules solaires à pérovskite et a montré que les halogénures de plomb complexes de la génération actuelle sont trop sensibles aux rayons gamma pour être utilisés dans l'espace. Les chercheurs étaient beaucoup plus optimistes à propos des cellules solaires organiques, qui présentaient une excellente stabilité aux radiations dans leur étude récente.

"Les polymères conjugués contenant du carbazole sélectionnés pour l'étude assurent une longue durée de vie et une efficacité de conversion lumineuse assez élevée des cellules solaires dans des conditions terrestres standard, comme nous l'avons démontré en 2015. Dans cet article, nous examinons le comportement de deux systèmes modèles fullerène-polymère exposés aux rayons gamma. L'un des deux systèmes a affiché une stabilité aux rayonnements record, les cellules solaires conservant plus de 80% de leur efficacité initiale après exposition à 6, 500 Gy de rayons gamma, une dose que les satellites en orbite proche de la Terre sont estimées recevoir pendant 10 ans ou plus. Ce n'est qu'une de nos premières réalisations dans cet axe de recherche et nous poursuivrons le développement de cellules solaires organiques encore plus stables et efficaces pour les applications spatiales, " dit le premier auteur de l'article, Ilia Martynov.

La stabilité élevée au rayonnement révélée par les cellules solaires organiques à base de polymères conjugués contenant du carbazole est révélatrice de leur potentiel spatial étendu, avec leur poids léger, flexibilité et rapport poids/énergie élevé permettant une réduction significative du poids du lest et une augmentation de la charge utile.

« Déployer des voiles solaires spatiales constituées de cellules solaires en plastique souple représente une opportunité alléchante pour augmenter la puissance des convertisseurs photoélectriques sur les satellites, " dit le professeur Troshin.