15.07.2019
Ученые из Центра энергетики Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и Химического факультета МГУ презентовали уникальные солнечные элементы на основе сопряженных полимеров и производных фуллеренов. Их главная особенность – высочайшая устойчивость к радиации. Они способны выдержать гамма-излучение > 6000 Гр. И это дает нам основание полагать, что они смогут стабильно функционировать на околоземной орбите, 10 лет и даже дольше. Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Materials and Interfaces.
Когда Советский Союз 60 лет назад запустил первый в мире спутник, его радиосигнал на трех частотах можно было поймать в любой точке Земли. Однако через три недели этот передатчик замолчал. Причина – он использовал всю энергию, которую ему давали бортовые батареи.
Были сделаны верные выводы, и все последующие спутники снабжали энергией солнечные фотоэлементы. Кремниевые солнечные элементы и фотоэлектрические преобразователи на основе элементов из групп 3 и 5 периодической таблицы являются сегодня наиболее распространенными видами, несмотря на их многочисленные минусы.
Самые значительные – это большой вес и низкая производительность. Дополнительные – хрупкость, низкая устойчивость к воздействию ионизирующего излучения. Гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью и ими трудн управлять.
В кристаллической структуре обычных неорганических полупроводников постепенно накапливаются дефекты. Это приводит к ухудшению их электронных свойств и быстрому снижению эффективности.
За последние два десятилетия органические солнечные элементы привлекли большое внимание благодаря гибкости, умеренному весу и беспрецедентному соотношению энергии к весу от 10 до 20 Вт / г. Все это делает их многообещающим кандидатом для применения в космосе, несмотря на их радиационную нестабильность.
Группа исследователей во главе с профессором Сколтеха Павлом Трошиным и ранее изучала радиационную стойкость солнечных элементов на основе перовскита. Ученым удалось определить, что сложные галогениды свинца современной генерации слишком чувствительны к гамма лучам, чтобы использовать их в космосе. Исследователи были более оптимистичны в отношении органических солнечных элементов, они продемонстрировали отличную радиационную стабильность, в недавнем испытании.
Первый автор статьи, ведущий специалист Илья Мартынов говорит: «Карбазол содержащие сопряженные полимеры, выбранные для исследования, обеспечивают длительный срок эксплуатации и достаточно высокую эффективность преобразования света солнечных элементов в стандартных земных условиях, как мы продемонстрировали еще в 2015 году. В этой работе мы исследуем поведение двух модельных фуллеренов - полимерные системы подвергаются воздействию гамма-лучей.
Одна из этих двух систем продемонстрировала рекордно высокую радиационную устойчивость, причем солнечные элементы сохраняют более 80% своей первоначальной эффективности после воздействия доз радиации, которые спутники на околоземной орбите получают в течение 10 лет или дольше. Это лишь одно из наших первых достижений в этой области исследований, и мы будем заниматься разработкой еще более стабильных и эффективных органических солнечных элементов для космического применения».
Высокая радиационная стабильность, проявляемая органическими солнечными элементами на основе карбазол содержащих сопряженных полимеров, свидетельствует об их обширном космическом потенциале. В сочетании с легким весом, гибкостью и высоким отношением энергии к массе, позволяющим значительно уменьшить балластный вес и увеличить полезную нагрузку.
«Развертывание космических солнечных парусов из гибких пластиковых солнечных элементов представляет собой заманчивую возможность для увеличения мощности фотоэлектрических преобразователей на спутниках», - добавляет профессор Трошин.