《Joule》:走向太空!钙钛矿/有机太阳能电池完成太空首秀!

不断刷新效率的钙钛矿电池太阳能电池(HOPVs)以其自身的魅力使得人们在寻找它们的技术应用上乐此不疲。在探索的道路上,人们将目光定睛在太空飞行器上。尽管目前的无机硅太阳能电池板具有很高的效率,但是它们不仅功率小而且还略显笨重,因此轻巧的钙钛矿/有机太阳能电池便显得格外诱人。最近,德国慕尼黑工业大学的研究者们第一次将钙钛矿/有机太阳能电池借助火箭送往太空,在极端环境下,电池仍能高效率工作,并可以直接利用阳光或者来自地球表面的反射光,功率密度在7-14mW/cm2之间,该种子选手令人眼前一亮,展示其太空应用潜力。相关成果以“Perovskite and Organic Solar Cells on a Rocket Flight”为题于2020年8月12日发表在《Joule》杂志。

《Joule》:走向太空!钙钛矿/有机太阳能电池完成太空首秀!

火箭MAPHEUS-8的设计

如图1所示,火箭MAPHEUS-8的电池部位分为8个独立部分,8个对称排列的舱口分别有2个模块,各含有2类钙钛矿/有机太阳能电池组件,4类电池组件皆为发展过程中最经典的电池材料(图2A);8个舱口以方位角对称分布,成45°角(图2C),舱口外均覆盖熔融石英玻璃窗以提供飞升保护。

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图1 火箭飞行示意图

火箭飞行情况

图2B显示火箭起飞后高度随时间的变化函数以及电池有效载荷方向。飞行共有3个阶段:Ⅰ 上升过程中,阳光直射有效载荷的一侧;Ⅱ 缓慢角度漂移后有效载荷与太阳辐射方向一致;Ⅲ 下降过程中阳光直射再次出现;图2C中Jsc的变化同样能证明其飞行模式。

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图2 太阳能电池与火箭飞行概况

强太阳辐射下的光伏性能

为衡量电池性能,引入最大功率密度Pmpp概念(单位面积的最大功率)。图3显示,在第I阶段强辐射环境下,4类电池均表现出优秀的光电性能,最高电流密度超过20mA/cm2;2类钙钛矿太阳能电池与有机太阳能电池的Pmpp分别超过14mW/cm2、7.5mW/cm2太空飞行器的目标之一在于最大程度减少火箭携带的设备重量,假设太阳能电池单位面积的重量相同,那么HOPVs带来的效果是前所未有的。正如合作者Lennart Reb认为:“将1Kg太阳能电池转移到超薄箔片上,将覆盖200m2以上的面积,并产生足够的电能,最多可容纳300个标准100W灯泡,这是当前技术的10倍

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图3 4类电池在第I阶段的J-V曲线

 

弱地面辐射下的维持发电

从图2B我们得知,在火箭运行的第二阶段,电池无法对阳光进行高效利用,但是同时发现来自地球表面的漫反射是另一个重要光源。图4A、B分别显示了第II、III阶段的J-V曲线。由于不同的辐射强度,每个舱口(不同符号表示)具有不同的光电性质。在第III阶段,有3个太阳能电池受到阳光照射,然而在第II阶段,有5个电池得到显著光照。太阳能电池的平均电压从第I阶段和第III阶段的1V略微降低至第II阶段的0.85V,其他光学性质也略有降低,但仍能保持强辐射下的光电转化效率。该发现具有重要意义,因为该弱辐射强度相当于在木星与土星上的光照强度,证明HOPV有望用于深空探索,目前只有1种探测器支持远距离太阳能供电,而其他传统太阳能电池在没有直射光时便停止工作。

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图4 第II/III阶段下电池的J-V曲线

 

下一步计划

Peter Muller-Buschbaum说:“这项研究的局限性在于火箭在太空驻足的时间较短,总时长只有7分钟。”因此下一步计划是了解电池寿命、长期稳定性等特点,以满足在太空中的长期使用。

小结

这是钙钛矿和有机太阳能电池首次进入太空,经受住了极端条件,也可以利用直射的阳光和来自地球表面反射光产生能量。进入太空的电池就像是闯入了另一个全新的世界。这不仅是一件里程碑性的事件,从长远来看,该技术也可以应用于我们的陆地环境,以期更好地解决能源问题。

参考链接:

https://infosurhoy.com/technology/perovskite-and-organic-solar-cells-rocketed-into-space-for-the-first-time/

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