钜大LARGE | 点击量：640次 | 2021年12月21日
新型钙钛矿太阳能电池的 8 个样品被发射到国际空间站，“上天”研究有哪些优势？
在晴朗的夜晚，凯特琳·范桑特(KaitlynVanSant)将能够欣赏她的工作。然而，要知道她的项目是否成功，必须等到国际空间站的需要补给返回地球之后才可以。
“我和我的家人肯定更频繁地在晚上抬头，”去年从科罗拉多矿业学院获得材料科学博士学位的VanSant说。她现在是NASA的博士后研究员，VanSant在国家可再生能源实验室(NREL)拥有独特的合作任命。
NREL和NASA的结对延续了太阳能与太空之间的长期联盟。专门面向太阳的光伏(PV)面板已被用于为火星探测器和太空探测器发电，但这些高效太阳能电池的制造成本太高，无法在地球上使用。NREL的研究人员正在测试降低地面应用成本的方法，并改变光伏技术在太空中的工作方式。
来源：丹尼斯施罗德，NREL
最新的测试将评估钙钛矿太阳能电池在太空中的潜在用途，并评估这些电池中使用的材料的耐用性。VanSant与NREL的AhmadKirmani、JoeyLuther、SeverinHabisreutinger、RosieBramante、DaveOstrowski、BrianWieliczka和BillNemeth合作，准备了钙钛矿电池和材料。其中8个样品于8月发射到空间站，另一组25个样品将于2022年春季发射。每个样品的大小均为一平方英寸，是材料国际空间站的一部分实验（MISSE）程序并将其固定在轨道平台的外部。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
国际空间站(ISS)是一个轨道研究实验室和天文台，在包括天文学、物理学和材料科学在内的一系列领域进行科学实验，仅举几例。
NASAGlenn光伏组的电气工程师TimothyPeshek说：“例如，我们可以通过在真空室中模拟地面空间环境来证明非常新兴的技术，这样我们就不会自欺欺人。这就是现实世界的操作。”
在获得将PV实验返回空间站的批准后，Peshek呼吁可能想要参与的研究人员。NREL材料物理研究组的研究员AdeleTamboli对这个机会表示欢迎，并将Peshek介绍给了VanSant。
“与国家可再生能源实验室合作意义重大，”他本人是NREL的前博士后研究员说：“他们在第一天就准备好了设施和能力。”
地球上的太阳能往往是由硅模块产生的。其他光伏技术，例如太空中使用的那些，依赖于周期表中III和V列的材料，被称为III-V电池。科学家们已经尝试在一层硅上堆叠III-V族电池，以提高捕获阳光并将其转化为电能的效率。在典型的地球太阳光谱下测量时，最有效的硅太阳能电池本身约为26%。（太阳光谱在地球和太空中是不同的。）
Tamboli是在2017年为硅基III-V电池创造记录的研究小组之一，其中包括效率为35.9%的三结电池。她与VanSant和专职科学家EmilyWarren后来提议，这些类型的电池可以用于为低地球轨道上的卫星供电。在此之前，这些电池必须在太空的极端条件下进行测试。
设备会受到温度的剧烈波动和太阳辐射的轰击。当国际空间站移动到地球后面并远离太阳时，温度会骤降至华氏零以下250度。出现在阳光下会使温度达到零以上250度。
“这太苛刻了，”Peshek说：“那是一个相当残酷的环境。”
“辐射损害是一个因素，”沃伦说：“我们的记录电池是硅上的砷化镓，而我们发送的实际上是硅上的磷化镓铟。那是因为我们知道这些材料会更耐辐射。”
SpaceX的货运补给飞船于2020年3月将NREL的III-V硅太阳能电池运送到国际空间站。研究集中在硅上III-V族串联太阳能电池上，与NREL的MichelleYoung和JohnGeisz合作制造了MISSE项目的原型电池，并观看了将其送入太空的火箭发射的广播。
该钙钛矿样品处于中间晶相，即将放置在加热板上以完全结晶。来源：丹尼斯施罗德，NREL
“我和我的两个女儿一起看的，”范桑特说：“他们从中获得了真正的乐趣。我的意思是，如果不完全着迷，你就无法真正观看太空发射。没有人会对太空发射感到厌烦。”
原型机在1月份返回地球之前，在国际空间站外部固定了10个月。
“电池的飞行后分析使我们有机会研究我们希望如何改进设计并改进其性能，并了解这是否可以成为一种在太空中提供动力的技术，”VanSant说。
现在，她正在等待钙钛矿太阳能电池和材料，预计将在国际空间站上花费六个月的时间。这个过程不是直接进入太空。在NREL之后，电池被运送到Alphaspace，这是一家休斯顿公司，该公司准备在MISSE平台上运行的样品，并安排在SpaceX航班上启动实验。
钙钛矿太阳能电池是使用多种化学物质的混合物生长的，并且以快速提高它们利用阳光获取能量的效率而著称。正在进行的实验涉及为商业用途准备钙钛矿电池。早期的钙钛矿细胞降解太快。已经取得了进展，但仍有工作要做。
“这是一个真正有趣的问题，”Peshek说：“因为这些细胞因存在降解问题而臭名昭著。但它们降解的原因是水分和氧气。我们在太空中不必担心这一点。”
NREL高级科学家、该项目的联合顾问、钙钛矿技术专家约瑟夫·路德(JosephLuther)指出，在辐射测试设施中进行的地球绑定实验表明，钙钛矿太阳能电池具有惊人的耐辐射性。它们非常薄，所以有很大帮助。大部分辐射直接穿过它们。硅，相对于钙钛矿，厚数百倍。由于生产规模，它也非常便宜，并且非常适合地面光伏应用，但在太空中它太厚了，当辐射撞击到表面时，它会被吸收并损坏细胞，造成问题。
轻质钙钛矿太阳能电池将符合NASA正在进行的任务，即降低将有效载荷送入轨道的价格，从今天的每磅约10,000美元到四分之一个世纪内的每磅数百美元。
“我们对尝试匹配III-V族太阳能电池的效率非常感兴趣，但要在极其轻巧的电池设计中做到这一点，”Luther说：“钙钛矿可以沉积在塑料或金属箔之类的东西上，它们相对较轻。”
在离开NREL之前测量了太阳能电池的效率，并将在它们返回时再次测量。细胞和细胞的组成材料也将在飞行前后进行表征，由史蒂夫约翰斯顿提供成像专业知识。钙钛矿电池和材料在旅途中的存活情况将立即显现。美国宇航局格伦研究中心的研究工程师、与Peshek合作将钙钛矿带入太空的首席研究员LyndseyMcMillon-Brown说，颜色变化提供了第一个线索。
“钙钛矿太阳能电池的理想相是黑色相，”她说：“这些材料是乌黑的。然而，当这些东西降解时，它们会变成黄色的芥末色。所以我们希望在他们回来时能看到黑色材料。”
从钙钛矿在太空中度过的时间中汲取的教训可以帮助地球上的技术。
“我们在太空中面临的一些事情是极端的，比如极端的温度循环、极端的紫外线照射，但是当你在地球上时，你仍然会暴露在紫外线下，并且仍然有温度循环，”麦克米伦-布朗说：“它只是没有那么快速和频繁。我们仍然认为我们的经验教训和我们的发现将适用并有助于使钙钛矿更畅销，并在地球上获得更大的商业市场份额。”
在等待钙钛矿样品归还时，VanSant会定期收到正在进行的工作的提醒。
“除了观看国际空间站在夜空中掠过之外，我们还观看了美国宇航局从国际空间站外的摄像机拍摄的视频片段，这些视频片段显示地球在国际空间站轨道上经过，”范桑特说：“这些发射是一个很好的提醒，可以仰望夜空，也是一个从完全不同的角度看事物的机会。”
