Sélection de cellules solaires dans le laboratoire de l'ingénieur de recherche principal du GTRI Jud Ready. Les cellules comprennent 3D, CZTS, photovoltaïque organique, et silicium. Crédits :Camp de Branden, Géorgie Tech
Cinq types différents de cellules solaires fabriquées par des équipes de recherche du Georgia Institute of Technology sont arrivées à la Station spatiale internationale (ISS) pour être testées pour leur taux de conversion d'énergie et leur capacité à fonctionner dans l'environnement spatial difficile dans le cadre de la MISSE-12 mission. Un type de cellule, fait de matières organiques à faible coût, n'a pas été largement testé dans l'espace auparavant.
Les cellules photovoltaïques texturées à base de nanotubes de carbone conçues pour capturer la lumière sous n'importe quel angle seront évaluées pour leur capacité à produire efficacement de l'énergie quelle que soit leur orientation vers le soleil. D'autres cellules fabriquées à partir de matériaux pérovskites et d'un matériau à faible coût en cuivre-zinc-étain-sulfure (CZTS) - ainsi qu'un groupe témoin de cellules traditionnelles à base de silicium - figureront parmi les 20 dispositifs photovoltaïques (PV) placés sur le Materials International. Installation de vol expérimentale de la station spatiale à l'extérieur de l'ISS pour une évaluation de six mois. Pour deux des cellules, le lancement marquait leur deuxième voyage dans l'espace.
« Les questions de recherche sont les mêmes pour toutes les cellules photovoltaïques :ces photo-absorbeurs peuvent-ils être utilisés efficacement dans l'espace ? dit Jud Ready, ingénieur de recherche principal au Georgia Tech Research Institute (GTRI), directeur associé du Centre de technologie et de recherche spatiales de Georgia Tech, et directeur adjoint de l'Institute for Materials de Georgia Tech. "Avec cet essai, nous allons mieux comprendre les mécanismes de dégradation de ces matériaux et être en mesure de comparer leur production d'énergie dans des conditions variables. »
Les cellules solaires organiques développées dans le laboratoire du professeur Bernard Kippelen à Georgia Tech sont traitées à basse température à l'aide de processus basés sur des solutions sur de grandes surfaces pour produire des cellules avec un absorbeur qui peut être environ 200 fois plus fin que la largeur d'un cheveu humain.
"Avec un poids très faible et des valeurs d'efficacité de conversion de puissance allant jusqu'à 16%, les cellules solaires organiques pourraient produire des valeurs de puissance dans les centaines de milliers de watts par kilogramme de matière active, ce qui est très attractif pour les applications spatiales, " dit Kippelen, le professeur Joseph M. Pettit à l'École de génie électrique et informatique. "Toutefois, les effets de l'exposition continue de ces dispositifs dans un environnement spatial n'ont pas été explorés en profondeur. Notre intérêt est d'étudier la robustesse des interfaces formées dans ces dispositifs dans un environnement spatial, ainsi que d'améliorer notre compréhension des mécanismes de dégradation des cellules solaires organiques dans l'espace."
Les cellules solaires plates traditionnelles sont plus efficaces lorsque la lumière du soleil est directement au-dessus de la tête. Parce que la direction du flux solaire varie avec l'orbite, les grands véhicules spatiaux comme l'ISS utilisent des mécanismes de pointage mécaniques pour maintenir les cellules correctement orientées. Ces mécanismes complexes créent des problèmes de maintenance, cependant, et sont trop lourds pour être utilisés sur de très petits engins spatiaux tels que CubeSats.
Pour surmonter le problème de pointage, L'équipe de Ready a développé des cellules solaires texturées en 3D capables de capturer efficacement la lumière du soleil arrivant sous différents angles. Les cellules utilisent des "tours" fabriquées à partir de nanotubes de carbone et recouvertes de matériau photovoltaïque pour piéger la lumière qui rebondirait sur les cellules standard lorsqu'elles ne sont pas orientées vers le soleil.
Cet échantillon comprend cinq dispositifs photovoltaïques organiques de petite surface qui ont été fabriqués dans le groupe de recherche Kippelen de Georgia Tech. Des échantillons de géométrie similaire ont été envoyés à l'ISS pour étudier les effets de l'exposition aux environnements spatiaux. Crédit :Bernard Kippelen, Géorgie Tech
"Avec notre structure de piégeage de la lumière, nous sommes agnostiques à l'angle du soleil, " a déclaré Ready. "Nos cellules fonctionnent en fait mieux sous les angles de vue. Sur CubeSats, qui permettra une capture efficace quelle que soit l'orientation du soleil."
Cellules pérovskites produites dans le laboratoire de Zhiqun Lin, professeur à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, sera également testé. Ces matériaux ont des mécanismes de défaillance connus causés par l'humidité et l'absorption d'oxygène. "Ces deux mécanismes de défaillance ne seront pas présents à l'extérieur de la Station spatiale internationale, ce test nous permettra donc de voir les performances de ces matériaux sans ces problèmes. Nous devrions être en mesure de déterminer si ces problèmes connus masquent d'autres causes de dégradation, ", dit Prêt.
Les matériaux CZTS sont potentiellement des cellules solaires de nouvelle génération composées de Matériaux abondants en terre :cuivre, zinc, l'étain et le soufre. Les matériaux ont un coefficient d'absorption élevé et peuvent être résistants aux rayonnements - utiles pour les applications spatiales - et offrent un compromis intéressant entre coût et performance, Prêt dit.
Les cellules solaires à base de silicium produites par le Centre d'excellence universitaire en recherche et éducation photovoltaïques de Georgia Tech permettront de comparer les performances des autres cellules. Le laboratoire, dirigé par le professeur Regents Ajeet Rohatgi de l'École d'ingénierie électrique et informatique, ont fourni des cellules de type p dopées au bore avec un émetteur n+ dopé au phosphore et un champ de surface arrière p+ dopé à l'aluminium.
"Ces cellules photo-absorbantes en silicium serviront de témoins pour comparer les performances d'autres matériaux photo-absorbants dans l'espace, " dit Rohatgi.
Les 20 cellules photovoltaïques rejoindront brièvement trois autres cellules fabriquées par les chercheurs de Georgia Tech qui sont déjà à bord de l'ISS. Ces trois, et deux sur la nouvelle mission, faisaient partie d'une expérience de 2016 qui n'a pas pu enregistrer de données, bien qu'il ait fourni des informations sur les effets de l'environnement spatial sur les cellules solaires.
Les cellules photovoltaïques de Georgia Tech ont été lancées vers l'ISS le 2 novembre à bord du S.S. Alan Bean, un vaisseau spatial Northrop Grumman Cygnus de l'installation de Wallops Island de la NASA, dans le cadre d'une mission de réapprovisionnement de routine. Pour leurs tests, les cellules ont été intégrées dans un ensemble de test par Alpha Space Test &Research Alliance de Houston.
En plus de ceux déjà mentionnés, le projet comprenait également Canek Fuentes-Hernandez, Matthieu Rager, Chasseur Chan, Christophe Tran, Christophe Blancher, Zhitao Kang et Conner Awald et Brian Rounsaville, tous de Georgia Tech.
