Las perovskitas, que han demostrado un enorme potencial como un nuevo semiconductor para las células solares, están ganando atención, así como una posible tecnología de próxima generación para impulsar también misiones espaciales. Mientras los científicos de todo el mundo continúan sus esfuerzos para aprovechar el potencial de las perovskitas en la Tierra, otros investigan qué tan bien podría funcionar la tecnología en la órbita del planeta.

Un esfuerzo de investigación colaborativo para abordar colectivamente este importante problema que involucra a científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) establece pautas para probar las propiedades de tolerancia a la radiación de las perovskitas destinadas a su uso en el espacio.

"La radiación no es realmente una preocupación en la Tierra, pero se vuelve cada vez más intensa a medida que nos movemos a altitudes cada vez más altas", dijo Ahmad Kirmani, investigador postdoctoral en NREL y autor principal del nuevo artículo, "Cuenta regresiva para el lanzamiento espacial de perovskita:Pautas para realizando experimentos relevantes de dureza de radiación", que aparece en Joule .

La radiación que llega a la Tierra tiende a ser principalmente fotones, o luz del sol, que las células solares absorben y utilizan para generar electricidad. En el espacio, sin embargo, la radiación proviene de todas las direcciones en forma de protones, electrones, neutrones, partículas alfa y rayos gamma. Esto crea un entorno inhóspito para el funcionamiento de muchos dispositivos electrónicos, incluidas las células solares. Por lo tanto, a medida que los investigadores desarrollan nuevas tecnologías para aplicaciones espaciales, se deben realizar análisis cuidadosos y pruebas rigurosas para asegurarse de que la tecnología pueda funcionar durante un período prolongado en el entorno operativo.

"Cuando intentas imitar la radiación en el espacio con una prueba basada en la Tierra, es muy desafiante porque tienes que considerar muchas partículas diferentes y la energía de partículas asociada, y tienen diferentes influencias en varias capas dentro de la célula solar. Todo depende sobre dónde pretende que opere la tecnología en el espacio y qué eventos de radiación específicos se sabe que ocurren allí", dijo Joseph Luther, coautor del artículo y científico principal en el equipo de Nanociencia y Materiales Químicos de NREL.

Sus colegas del NREL que contribuyeron al artículo son Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger y Kaitlyn VanSant, becaria del programa posdoctoral de la NASA que trabaja en el NREL.

Otros investigadores involucrados son de la Universidad de Oklahoma, el Laboratorio de Propulsión a Chorro, el Instituto de Tecnología de California, la Corporación Aeroespacial, la Universidad de Colorado-Boulder, el Centro de Investigación Glenn de la NASA, la Universidad del Norte de Texas y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Los colaboradores son expertos en el área de pruebas de radiación de células solares. Sus aportes dieron como resultado un consenso sobre cómo abordar las pruebas de células solares de perovskita para aplicaciones espaciales.

La investigación es la última colaboración en la que participan científicos del NREL interesados ​​en poner perovskitas en el espacio. El año pasado fue testigo de las pruebas de durabilidad de las perovskitas en el espacio. Las células de perovskita se colocaron en el exterior de la Estación Espacial Internacional en parte para ver cómo manejarían la exposición a la radiación.

Las células solares que se han utilizado para orbitar satélites o en los rovers de Marte, por ejemplo, están hechas de silicio o materiales III-V de la tabla periódica de elementos. Las perovskitas se refieren a una estructura química más que a un elemento. Idealmente, se pueden fabricar a bajo costo en comparación con las tecnologías solares convencionales y también pesan menos.

Otros investigadores informaron que las perovskitas pueden tolerar una radiación intensa con una durabilidad sin precedentes, pero el nuevo artículo de Joule ofrece pautas sobre cómo probarlas exactamente en la Tierra para el complicado espectro de radiación real en varias órbitas espaciales.

"Este es un trabajo importante", dijo Haegel, director del centro de Ciencia de Materiales en NREL. "Si queremos acelerar nuestro progreso en perovskitas para energía fotovoltaica espacial, es importante reunir a la comunidad y definir las preguntas y los experimentos críticos. Las perovskitas son diferentes, de múltiples maneras, y tenemos que repensar ideas arraigadas sobre cómo evaluar eficazmente las células solares para el entorno de radiación en el espacio. Este artículo hace esa contribución".

Los investigadores se basaron en simulaciones realizadas a través de SRIM, una simulación de Monte Carlo que modela el paso de iones a través de la materia. Los aceleradores de partículas se utilizan para probar la tolerancia a la radiación, pero los investigadores dijeron que es de vital importancia seleccionar la energía de partículas correcta y saber cómo se relaciona esa condición de prueba con los complejos espectros de radiación a los que los paneles estarían expuestos en el espacio. El trabajo dirigido por Ian Sellers en la Universidad de Oklahoma señaló el hecho de que los protones deberían ser el enfoque inicial.

Las simulaciones modelaron el lanzamiento de protones con varias energías en una celda solar de perovskita y determinaron cómo interactuarían los haces de protones. Los protones de alta energía atravesaron las delgadas células de perovskita en la simulación. Los protones de baja energía se absorben adecuadamente y causan daños en la estructura de la perovskita, lo que permite a los investigadores medir cómo ese daño por radiación corresponde a la capacidad de la célula solar para producir electricidad. Los protones de alta energía crean más calor dentro de la perovskita, lo que crea una complicación adicional en la comprensión de la tolerancia a la radiación. Esto difiere de las células solares convencionales, en las que se utilizan protones y electrones de alta energía para determinar los efectos de la radiación.

Los hallazgos de la investigación son los primeros de lo que será una larga serie de pasos hacia el uso de perovskitas en el espacio.

"Hay muchas formas diferentes en que podemos construir células solares de perovskita, por lo que queremos desarrollar una que sea específicamente la mejor para el espacio", dijo Luther. "Este objetivo implicará muchas iteraciones entre la fabricación de una nueva célula, la prueba de la tolerancia a la radiación y el uso de lo que aprendemos para mejorar el diseño de la célula".

También será necesario realizar otras investigaciones, incluida la forma en que las perovskitas manejan los cambios extremos de temperatura en el espacio.

Kirmani dijo que se debe hacer un trabajo adicional para proteger o encapsular las células solares de perovskita sin sacrificar sus propiedades de peso ligero al agregar vidrio adicional. "De hecho, estamos trabajando en esa tecnología en este momento y hemos encontrado algunas composiciones químicas que pueden depositarse fácilmente sobre el módulo de perovskita a un costo muy bajo sin aumentar drásticamente el peso total".

Cuando un protón golpea la celda de perovskita con la cantidad correcta de energía, un átomo puede salirse de su lugar y causar una caída en la eficiencia. Sin embargo, las perovskitas poseen la capacidad de autocuración. Un aumento en la cantidad de calor que fluye a través de la celda puede obligar a los átomos a volver a caer en la posición correcta. Eso también requiere investigación adicional.

"Queremos saber cómo funciona el efecto, cómo podría ser beneficioso y si es realista bajo las condiciones apropiadas en el espacio", dijo Luther.