轻量级太阳能电池在太空中证明其价值

轻量级太阳能电池在太空中证明其价值

自1959年以来,硅太阳能电池板一直用于航天器。并且硅太阳能电池板的功率转换效率一直以来得到了显著提高。但是扩大使用太阳能技术航空航天领域的应用,不仅需要提高效率,还需要提高“特定功率”,那就是功率与重量的比例。而如今太空中使用的传统太阳能电池体积大而笨重,因而限制了“特定功率”的提高。提高特定功率的一个方法是,在太空中使用新兴的轻量级钙钛矿和有机太阳能技术。近年来,在地面应用中钙钛矿和有机太阳能技术的效率已经分别攀升至25%和17%左右。但是一直没有在太空中验证这些技术。现在有德国的研究人员在亚轨道火箭飞行中将这些有前景的太阳能电池发射到太空,他们跟踪太阳能电池的效率,并确认它在苛刻的太空条件下的能够正常工作(Joule,doi: 10.1016/j.joule.2020.07.004)。

提高“特定功率”

提高特定功率并最大限度地减小火箭的重量,这在发射过程中尤其重要。降低太阳能电池的重量是重中之重。这就是为什么薄、轻巧而灵活的混合钙钛矿和有机太阳光电 (HOPV)正提高人们对其在太空中应用的兴趣。更重要的是,HOPV 也比它们相应的无机太阳能电池更容易制造。

来自德国Technical University of Munich的Functional Materials教授Peter Müller-Buschbaum是当前这项研究的资深研究人员。他说这些优异的材料特性使钙钛矿和有机太阳能电池成为“未来太阳能电池板制造的完美替代材料”。亚微米厚的电池器件可以集成到到薄的高分子薄膜上来覆盖很大的表面积,并得到一个很高的特定功率。然而,直到去年6月,这些太阳能电池还没有在太空条件下进行测试。Müller-Buschbaum和他的团队 2014 年在模拟太空条件下进行了集中的性能测试(ACS Appl. Mater.界面, doi: 10.1021/am504608p), 并且随后进行了气球飞行测试。他们明确下一步是将太阳能电池发射到太空。

时刻准备发射升空

研究小组在火箭 MAPHEUS-8 的圆柱形有效载荷上安排了四种太阳能电池模块类型:两个钙钛矿太阳能电池和两个有机太阳能电池;每种类型太阳能电池又分为四个,总共16个单独的太阳能电池。Müller-Buschbaum 说,这四种模块类型代表了一个简化的选择,包括最先进的单结钙钛矿,有机结构和吸收材料。

火箭升空可以到达240千米的高度,在低地球轨道高度范围。除了展示高效率外,HOPV 还证明了其在强太阳光辐照、微重力、超高真空和显著温差下的稳定性。虽然火箭飞行只持续了7分钟,但这个团队能够连续记录太阳能电池的电流电压特性,并确认每种类型都达到了预期的性能。根据Müller-Buschbaum的说法,这些电池的功率密度在7到14mW/cm2之间,优于现有的固态太阳能电池技术。他还预计, 随着技术的进一步优化, 功率密度将有可能获得更高的数值。除了跟踪这些太阳能电池的效率,研究小组还确认了这些太阳能电池在低光照条件下也可以工作。这意味着即使太阳能电池远离太阳,它们也会产生能量。这些电池吸收了从地球表面反射的微弱散射光,即使它们没有直接暴露在阳光下。据Müller-Buschbaum说,研究结果表明,这些电池在外太空飞行任务中可能会非常实用。

天眼

Müller-Buschbaum说,这项研究展示了太阳能电池的功率密度。这将使钙钛矿和有机太阳能电池在未来的太空探索中有着更广泛的应用。他解释道:“此外,它们的灵活性能够实现全新的太阳能模块设计,因为灵活的太阳能电池板可以卷起或合上, 除了其巨大潜力来节省重量,成本或引入新的设计,钙钛矿和有机太阳能电池还为太空的任务设计创造了新的可能性,比如太阳能推动的外太空飞行任务和高效的电力推进。”他说目前研究的一个限制是火箭的飞行时间有限。接下来,这个团队将致力于太阳能电池在太空中长期的实验,比如和卫星一起,这样可以更好地测试这项技术的耐用性和稳定性。[中国光学期刊网]

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