Une couche mince et légère fournit une barrière contre les rayonnements pour les pérovskites dans l’espace, une protection contre les éléments terrestres


Un revêtement protecteur ultrafin s’avère suffisant pour protéger une cellule solaire pérovskite des effets nocifs de l’espace et la durcir contre les facteurs environnementaux sur Terre, selon une étude récemment publiée par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département américain de l’énergie.

Financée par le Fonds d’amélioration de la capacité énergétique opérationnelle (OECIF) du département américain de la Défense, la recherche NREL a été effectuée pour le Laboratoire de recherche de l’armée de l’air (AFRL) afin de développer des sources d’énergie innovantes à faible coût pour alimenter les forces armées du monde entier.

La recherche est le dernier effort pour déterminer l’efficacité des pérovskites pour une utilisation dans des applications spatiales, où elles seraient exposées à des protons, des particules alpha, de l’oxygène atomique et d’autres facteurs de stress. La possibilité d’utiliser des pérovskites pour générer de l’énergie dans l’espace est séduisante car elles offrent une option moins coûteuse et légère par rapport à d’autres technologies avec le potentiel d’atteindre des rendements similaires à ceux des technologies PV spatiales actuelles.

Tout comme sur Terre, les cellules solaires en pérovskite doivent avoir une durabilité appropriée. Cependant, l’environnement dans l’espace est sensiblement différent. Alors que les plus grands défis sur Terre sont liés à la météo, dans l’espace, les pérovskites doivent résoudre les problèmes liés au bombardement par rayonnement et aux variations de température extrêmes. Les pérovskites montrent des signes de meilleure tolérance aux radiations que de nombreuses autres cellules solaires, mais de nombreux tests restent à effectuer.

L’année dernière, des chercheurs ont effectué des simulations pour démontrer comment l’exposition aux rayonnements dans l’espace affecterait les pérovskites. Ils ont déterminé que la technologie de nouvelle génération fonctionnerait dans l’espace, mais ont souligné la nécessité d’encapsuler la cellule d’une manière ou d’une autre pour fournir une protection supplémentaire.

Dans la recherche de suivi, Ahmad Kirmani, auteur principal du dernier Énergie naturelle papier, lesdites simulations ont démontré qu’une couche d’oxyde de silicium d’une épaisseur d’un micron préserverait l’efficacité et augmenterait la durée de vie des cellules solaires à pérovskite dans l’espace. À titre de comparaison, la couche d’un micron d’épaisseur est environ 100 fois plus fine qu’un cheveu humain typique.

Kirmani a déclaré que la couche d’oxyde de silicium pourrait réduire de plus de 99% le poids des barrières anti-rayonnement conventionnelles utilisées pour d’autres cellules solaires et constituerait une première étape vers la conception d’emballages légers et peu coûteux pour les pérovskites.

Les protons à haute énergie traversent les cellules solaires en pérovskite sans causer beaucoup de dommages. Les protons à faible énergie, cependant, sont plus abondants dans l’espace et font plus de ravages sur les cellules pérovskites en déplaçant les atomes et en provoquant une baisse constante des niveaux d’efficacité. Les protons à faible énergie interagissent beaucoup plus facilement avec la matière et l’ajout de la couche d’oxyde de silicium a protégé la pérovskite des dommages, même des protons à faible énergie.

« Nous pensions qu’il serait impossible pour l’oxyde de silicium de fournir une protection contre la pénétration complète des particules à longue portée telles que les protons à haute énergie et les particules alpha », a déclaré Kirmani. « Cependant, la couche d’oxyde s’est avérée être une barrière étonnamment bonne contre ceux-ci également. »

Les résultats sont détaillés dans l’article « Couches barrières d’oxydes métalliques pour le photovoltaïque terrestre et spatial en pérovskite ». Les co-auteurs sont David Ostrowski, Kaitlyn VanSant, Rosemary Bramante, Karen Heinselman, Jinhui Tong, Bart Stevens, William Nemeth, Kai Zhu et Joseph Luther, du NREL ; et plusieurs collaborateurs clés qui travaillent avec l’équipe de l’Université du nord du Texas et de l’Université de l’Oklahoma. VanSant occupe la position unique d’être un chercheur postdoctoral à la NASA qui mène des recherches au NREL.

L’exposition à un flux de protons à faible énergie a fait perdre aux cellules solaires à pérovskite non protégées seulement environ 15% de leur efficacité initiale, ont découvert les chercheurs. Une plus grande concentration de particules a détruit les cellules, tandis que les pérovskites protégées ont démontré ce que les scientifiques ont décrit comme « une résilience remarquable ». Avec la barrière simple, les cellules n’ont montré aucun dommage.

En plus de rendre les cellules plus résistantes dans l’espace, les chercheurs ont également testé comment la barrière pourrait apporter des avantages dans des applications plus conventionnelles. Ils ont ensuite exposé les cellules solaires en pérovskite à un environnement d’humidité et de température incontrôlé pendant plusieurs jours pour imiter les conditions de stockage. Les cellules protégées ont conservé leur efficacité initiale de 19 %, tandis que les cellules non protégées ont montré une dégradation significative, de 19,4 % à 10,8 %. La couche d’oxyde a également fourni une protection lorsque d’autres compositions de pérovskite généralement plus sensibles à l’humidité ont été exposées à l’eau.

De plus, les cellules solaires en pérovskite ont été soumises à une chambre d’essai où elles ont été bombardées de photons ultraviolets similaires à l’environnement en orbite terrestre basse. Les photons ont interagi avec l’oxygène pour créer de l’oxygène atomique. Les cellules non protégées ont été détruites après huit minutes. Les cellules protégées conservaient leur efficacité initiale après 20 minutes et n’avaient qu’une légère baisse après 30 minutes.

Les simulations et les expériences ont révélé qu’en réduisant les dommages causés par les radiations, la durée de vie des cellules solaires protégées utilisées sur les orbites terrestres et dans l’espace lointain passerait de mois à années.

« L’efficacité de la conversion de puissance et la stabilité opérationnelle des cellules solaires en pérovskite ont été les deux principaux domaines d’intérêt de la communauté jusqu’à présent », a-t-il déclaré. « Nous avons fait beaucoup de progrès et je pense que nous sommes arrivés au point où nous pourrions être sur le point d’atteindre les objectifs nécessaires à l’industrialisation. Cependant, pour vraiment permettre cette entrée sur le marché, l’emballage est la prochaine cible. »

Parce que les cellules solaires en pérovskite peuvent être déposées sur un substrat flexible, la technologie émergente, couplée à la couche protectrice d’oxyde de silicium, permet son utilisation pour diverses applications terrestres telles que l’alimentation de drones.

Le NREL est le principal laboratoire national du Département américain de l’énergie pour la recherche et le développement sur les énergies renouvelables et l’efficacité énergétique. NREL est exploité pour le DOE par l’Alliance for Sustainable Energy LLC.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

*