Les pérovskites, qui ont montré un énorme potentiel en tant que nouveau semi-conducteur pour les cellules solaires, attirent l'attention ainsi qu'une technologie potentielle de nouvelle génération pour alimenter également les missions spatiales. Alors que les scientifiques du monde entier poursuivent leurs efforts pour exploiter le potentiel des pérovskites sur Terre, d'autres étudient l'efficacité de la technologie sur l'orbite de la planète.

Un effort de recherche collaboratif visant à résoudre collectivement ce problème important impliquant des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) établit des lignes directrices pour tester les propriétés de tolérance aux rayonnements des pérovskites destinées à être utilisées dans l'espace.

"Le rayonnement n'est pas vraiment une préoccupation sur Terre, mais devient de plus en plus intense à mesure que nous nous déplaçons à des altitudes de plus en plus élevées", a déclaré Ahmad Kirmani, chercheur postdoctoral au NREL et auteur principal du nouvel article, "Countdown to perovskite space launch:Guidelines to effectuant des expériences pertinentes de dureté de rayonnement", qui apparaît en Joule .

Les rayonnements atteignant la Terre sont généralement des photons, ou la lumière du soleil, que les cellules solaires absorbent et utilisent pour produire de l'électricité. Dans l'espace, cependant, le rayonnement provient de toutes les directions sous forme de protons, d'électrons, de neutrons, de particules alpha et de rayons gamma. Cela crée un environnement inhospitalier pour le fonctionnement de nombreux appareils électroniques, y compris les cellules solaires. Par conséquent, à mesure que les chercheurs développent de nouvelles technologies pour les applications spatiales, une réflexion approfondie et des tests rigoureux doivent être effectués pour s'assurer que la technologie peut fonctionner pendant une période prolongée dans l'environnement d'exploitation.

"Lorsque vous essayez d'imiter le rayonnement dans l'espace avec un test basé sur la Terre, c'est très difficile car vous devez prendre en compte de nombreuses particules différentes et l'énergie des particules associées, et elles ont des influences différentes sur les différentes couches de la cellule solaire. Tout dépend sur l'endroit où vous avez l'intention de faire fonctionner la technologie dans l'espace et quels événements de rayonnement spécifiques sont connus pour s'y produire », a déclaré Joseph Luther, co-auteur de l'article et scientifique principal de l'équipe des matériaux chimiques et des nanosciences au NREL.

Ses collègues du NREL qui ont contribué à l'article sont Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger et Kaitlyn VanSant, qui est une boursière du programme postdoctoral de la NASA travaillant au NREL.

D'autres chercheurs impliqués font partie de l'Université de l'Oklahoma, du Jet Propulsion Laboratory, du California Institute of Technology, de l'Aerospace Corporation, de l'Université du Colorado-Boulder, du Centre de recherche Glenn de la NASA, de l'Université du nord du Texas et du Laboratoire de recherche de l'US Air Force. Les contributeurs sont des experts dans le domaine des tests de rayonnement des cellules solaires. Leur contribution a abouti à un consensus sur la manière d'aborder les tests de cellules solaires à pérovskite pour les applications spatiales.

La recherche est la dernière collaboration impliquant des scientifiques du NREL intéressés par l'envoi de pérovskites dans l'espace. L'année dernière, des essais de durabilité des pérovskites ont eu lieu dans l'espace. Les cellules de pérovskite ont été fixées à l'extérieur de la Station spatiale internationale en partie pour voir comment elles géreraient l'exposition aux radiations.

Les cellules solaires qui ont été utilisées pour les satellites en orbite ou sur les rovers martiens, par exemple, sont fabriquées à partir de silicium ou de matériaux III-V du tableau périodique des éléments. Les pérovskites font référence à une structure chimique plutôt qu'à un élément. Idéalement, ils peuvent être fabriqués à faible coût par rapport aux technologies solaires conventionnelles et pèsent également moins.

D'autres chercheurs ont rapporté que les pérovskites peuvent tolérer un rayonnement intense avec une durabilité sans précédent, mais le nouvel article de Joule propose des directives sur la façon exacte de les tester sur Terre pour le spectre de rayonnement compliqué réel dans diverses orbites spatiales.

"Il s'agit d'un travail important", a déclaré Haegel, directeur du centre pour la science des matériaux au NREL. "Si nous voulons accélérer nos progrès dans les pérovskites pour le PV spatial, il est important de rassembler la communauté et de définir les questions et expériences critiques. Les pérovskites sont différentes, de multiples façons, et nous devons repenser les idées de longue date sur la façon de évaluer efficacement les cellules solaires pour l'environnement de rayonnement dans l'espace. Cet article apporte cette contribution."

Les chercheurs se sont appuyés sur des simulations exécutées par SRIM, une simulation de Monte Carlo qui modélise le passage des ions à travers la matière. Les accélérateurs de particules sont utilisés pour tester la tolérance aux radiations, mais les chercheurs ont déclaré qu'il est extrêmement important de sélectionner la bonne énergie des particules et de savoir comment cette condition de test est liée aux spectres de rayonnement complexes auxquels les panneaux seraient exposés dans l'espace. Les travaux menés par Ian Sellers à l'Université de l'Oklahoma ont souligné le fait que les protons devraient être l'objectif initial.

Les simulations ont modélisé le tir de protons avec différentes énergies sur une cellule solaire à pérovskite et ont déterminé comment les faisceaux de protons interagiraient. Les protons à haute énergie ont traversé les fines cellules de pérovskite dans la simulation. Les protons de faible énergie sont correctement absorbés et endommagent la structure de la pérovskite, permettant aux chercheurs de mesurer ensuite comment ces dommages par rayonnement correspondent à la capacité de la cellule solaire à produire de l'électricité. Les protons à haute énergie créent plus de chaleur dans la pérovskite, ce qui crée une complication supplémentaire dans la compréhension de la tolérance aux radiations. Cela diffère des cellules solaires conventionnelles où des protons et des électrons à haute énergie sont utilisés pour déterminer les effets du rayonnement.

Les résultats de la recherche sont les premiers d'une longue série d'étapes vers l'utilisation des pérovskites dans l'espace.

"Il existe de nombreuses façons différentes de construire des cellules solaires en pérovskite, nous voulons donc en développer une qui serait spécifiquement la meilleure pour l'espace", a déclaré Luther. "Cet objectif impliquera de nombreuses itérations entre la fabrication d'une nouvelle cellule, le test de la tolérance aux radiations et l'utilisation de ce que nous apprenons pour améliorer la conception de la cellule."

D'autres recherches devront également être menées, notamment sur la capacité des pérovskites à gérer les variations extrêmes de température dans l'espace.

Kirmani a déclaré que des travaux supplémentaires doivent être effectués pour protéger ou encapsuler les cellules solaires en pérovskite sans sacrifier leurs propriétés de légèreté en ajoutant du verre supplémentaire. "Nous travaillons en fait sur cette technologie en ce moment et avons trouvé quelques compositions chimiques qui peuvent facilement être déposées sur le module de pérovskite de manière très économique sans augmenter considérablement le poids total."

Lorsqu'un proton frappe la cellule pérovskite avec la bonne quantité d'énergie, un atome peut être déplacé et entraîner une baisse d'efficacité. Cependant, les pérovskites possèdent la capacité de s'auto-guérir. Une augmentation de la quantité de chaleur circulant dans la cellule peut forcer les atomes à retomber dans la bonne position. Cela nécessite également des recherches supplémentaires.

"Nous voulons savoir comment l'effet fonctionne, comment il pourrait être bénéfique et s'il est réaliste dans les conditions appropriées dans l'espace", a déclaré Luther.