Мартин Гриннің тобы: 'Ғарыштағы перовскит' туралы әуреге түсуді тоқтатыңыз — 100 циклдан кейін 20% жоғалту
Мазмұны
Кіріспе
Таңқаларлық факт: перовскиттің 'ғарыштық арманына' ең үлкен кедергі ғарыштық радиация емес — спутниктің Жерді тәулігіне 15 рет айналу кезінде бастан кешетін ондаған градус температура ауытқуы. Бұл кристалды кремний модульдерінің TC сынағындағы ауытқумен шамамен бірдей.
Бірнеше күн бұрын спутниктік қуат жүйелерінде жұмыс істейтін досым менен сұрады: 'Сіздер, күн энергиясы саласындағылар, перовскиттің қаншалықты тиімді екенін айтасыздар. Оны шағын спутниктерде қолдануға бола ма? Ол жеңіл, қуат тығыздығы жоғары.'
Мен: 'Тиімділікке асықпаңыз. Спутниктің орбитада бір күнде қанша термиялық соққыға ұшырайтынын білесіз бе?' дедім.
Ол: 'Күндіз ыстық, түнде суық емес пе?' деді.
'Иә, бірақ оның -80°C-тан +80°C-қа дейін қаншалықты тез қызатынын білесіз бе?'
Ол ойланып: 'Минутына бірнеше градус?' деді.
'Өлшенген деректер: минутына 6.77°C. Кейбір зертханалар ғарыштық ортаны модельдеу үшін оны тікелей минутына 16°C-қа дейін жеткізеді.'
Ол үнсіз қалды: 'Перовскит оған төтеп бере ала ма?'
'Төтеп бере алмайды. Nature-ның қосалқы журналында дәл осыны зерттейтін жаңа мақала бар.'
Бұл мақала (Energy & Environmental Science, DOI:10.1039/d5ee03704b) UNSW, Кореяның KRICT және Ұлыбританияның Surrey университетінің бірлескен жұмысы. Олар нақты спутниктік деректерді пайдаланып сынақ стандартын анықтады, содан кейін перовскитті -80°C-тан +80°C-қа дейінгі термиялық соққы камерасына 100 циклге салып, не тірі қалатынын көрді.
Мұны қарапайым күн энергиясы тілінде түсіндірейін.
Ғарыштағы термиялық соққы сіз ойлағаннан әлдеқайда қатал
Төмен Жер Орбитасында (LEO, биіктігі 200-2000 км) спутник Жерді тәулігіне шамамен 15 рет айналады. Әрбір орбита күн сәулесінен Жер көлеңкесіне және кері күн сәулесіне ауысудан өтеді.
Бұл процесс қаншалықты жылдам?
2c-суретке қараңыз: NOAA-21 спутнигінің өлшенген деректері — көлеңкеден күн сәулесіне өткенде, қыздыру жылдамдығы 6,77°C/мин. Күн сәулесінен көлеңкеге өткенде, салқындату жылдамдығы баяу, шамамен 1,89°C/мин (себебі жылу сәулелену арқылы таралады, бұл баяу).
Бұл жылдамдық жердегі IEC 61215 стандартында талап етілетін 1,67°C/мин-нен 4 есе жылдам.
Спутник бетінің температура диапазоны -90°C-тан +80°C-қа дейін өлшенеді (1b-сурет). ECSS (Еуропалық ғарыштық стандарттау ынтымақтастығы) біліктілік диапазоны одан да кең: -175°C-тан +125°C-қа дейін.
Сондықтан бұл мақала келесі жеделдетілген сынақ шартын анықтады (2d-сурет):
Температура диапазоны: -80°C ↔ +80°C
Өзгеру жылдамдығы: 16°C/мин
Циклдар саны: 100
16°C/мин NOAA-21 өлшенген жылдамдығынан 2,4 есе жылдам. Бұл енді "модельдеу" емес — бұл жеделдетілген қартаю, материалдың әлсіздіктерін тез ашу үшін қатал шарттарды қолдану.
Перовскитке термиялық соққы кезінде не болады
Олар қолданған материал FAPbI₃, бұл ең жоғары тиімді бір қосылысты перовскит жүйелерінің бірі (зертханалық тиімділік >27%). Бірақ FAPbI₃-тің өлімге әкелетін әлсіздігі бар: ол бөлме температурасында метастабильді және α фазасынан (қара, жоғары белсенді) δ фазасына (сары, белсенді емес) оңай ауысады.
α фазасын тұрақтандыру үшін әдетте аздаған MAPbBr₃ қосылады. Мақала бес концентрацияны сынады: 0%, 1%, 3%, 5% және 7%.
Молекулалық динамикалық модельдеуге қараңыз (3a-сурет): FAPbI₃-ті -80°C-тан 80°C-қа дейін қыздырғанда, тор тұрақтысы өседі, PbI₆ октаэдрлері еңкейе бастайды, FA иондарының ығысуы күшейеді — құрылым "дірілдейді".
Енді 100 термиялық соққы циклынан кейінгі XRD-ге қараңыз (3c-d-сурет):
| MAPbBr₃ концентрациясы | 0% | 1% | 3% | 5% | 7% |
|---|---|---|---|---|---|
| Термиялық соққыдан кейінгі өзгеріс | δ фазасының көп мөлшері пайда болады | Тұрақты | Тұрақты | Тұрақты | PbI₂ артады |
Қорытынды: аздап (1-5%) қосу α фазасын тұрақтандырады, бірақ тым көп (7%) қосу PbI₂ тұнбасын түзеді, бұл шын мәнінде нашар.
Енді KPFM (Кельвин зондтық күш микроскопиясы) беттік потенциалды өлшеуін қараңыз (4-сурет):
1% үлгі: термиялық соққыдан кейін дәндер арасындағы потенциал айырмасы артады, бұл дән шекараларының рекомбинация орталықтарына айналатынын көрсетеді
5% үлгі: термиялық соққыдан кейін потенциалдың таралуы біркелкі және зақымдану аз
Мақалада SPV (Беттік фотоэлектр қозғаушы күш) арқылы бұл сандық түрде бағаланады — SPV неғұрлым жоғары болса, фотогенерацияланған тасымалдаушылар соғұрлым жақсы бөлінеді. 5% үлгінің SPV мәні 1% үлгінікінен шамамен 1,5 есе жоғары.
Элементтерге айналдырылғанда, қанша қалады
Олар толық элемент құрылымын жасады: ITO/SnO₂/перовскит/PEAI/PTAA/Au, вакуумдық герметизацияланған және термиялық соққы камерасына салынған.
Нәтижелер (5b-сурет):
| MAPbBr₃ концентрациясы | 1% | 5% |
|---|---|---|
| Термиялық соққыдан кейінгі тиімділікті сақтау | ~62% | ~80% |
5% үлгі, -80°C ↔ +80°C термиялық соққының 100 циклінен кейін де тиімділігінің шамамен 80% сақтады.
J-V қисықтарын қараңыз (5c-d-сурет):
1% үлгі: Jsc және FF қатты төмендейді
5% үлгі: қисық пішіні әлдеқайда жақсы сақталған
EQE (5e-f-сурет) мұны растайды: 1% үлгі бүкіл диапазонда төмендейді, ал 5% үлгі тек ұзын толқынды аймақта (700-800 нм) аздап төмендейді — бұл интерфейстің термиялық кеңею сәйкессіздігіне байланысты болуы мүмкін.
35 км биіктікте қалай жұмыс істейді
Зертханалық сынақтардан кейін оларға нақты сынақ қажет болды. Италиядағы Пиза университетімен серіктесіп, олар элементтерді биіктік шармен 35 км биіктікке жіберді (6a-сурет).
Бұл биіктікте атмосфералық қысым жердегі деңгейдің тек 2% құрайды, ауа тығыздығы 1,5%, температура -40°C-қа жетуі мүмкін, және элементтер ғарышқа жақын УК сәулеленуіне және AM0 спектріне ұшырайды.
Нәтижелер (6f-сурет):
1% үлгі: PCE биіктік артқан сайын баяу төмендейді
5% үлгі: PCE биіктік артқан сайын жоғарылайды
Неліктен 5% үлгі биіктікте жақсырақ жұмыс істейді? Биіктік артқан сайын сәулелену күшейеді және Jsc сызықты түрде артуы керек. Бірақ 1% үлгінің Jsc өсу көлбеуі тек 0,00016, ал 5% үлгінікі 0,00364 — айырмашылық бір реттік шама.
Бұл 1% үлгінің ауыр радиациялық емес рекомбинациядан зардап шегетінін көрсетеді — фототудырылған тасымалдаушылар пайда болғанға дейін дән шекарасындағы ақаулармен жұтылады. KPFM SPV деректері бұл нәтижені алдын ала болжаған.
Өндірістік желі инженерлеріне арналған қорытындылар
Тек тиімділікке қарамаңыз — оның қаншалықты төзе алатынына қараңыз
Бұл мақала сенімді сынақ жүйесін ұсынады: жедел қартаю үшін 16°C/мин жылдамдықтағы термиялық соққыны, содан кейін жақын ғарыштық тексеру үшін биіктік шарды пайдаланыңыз.
Біз спутниктерді жасамаймыз, бірақ бұл тәсіл ауысады — жаңа материалдар мен жаңа процестерді бағалау кезінде интерфейс пен дән шекарасындағы мәселелерді ерте анықтау үшін «стресс-тестілеу» үшін жылдамырақ температура көтерілу жылдамдығын қолдануды қарастырыңыз.
Тұрақтандыру әдістері жаңа проблемалар әкелуі мүмкін
FAPbI₃-ке MAPbBr₃ қосу α фазасын тұрақтандырады. Бірақ тым көп (7%) қосу PbI₂ тұнбасын тудырып, жағдайды нашарлатады.
Бұл инкапсулянт пленкасын таңдаумен бірдей логика — әмбебап рецепт жоқ, тек «тепе-теңдік нүктесі» бар. Таңдау кезінде тек «бар ма» емес, «қанша» екеніне қарау керек.
Зертханалық және биіктік деректері сәйкес келеді
Бұл мақаланың ең сенімді бөлігі — KPFM арқылы өлшенген SPV айырмашылығы Jsc көлбеу айырмашылығын болжай алады, ал ұзын толқындардағы EQE төмендеуі интерфейстік термиялық кеңею сәйкессіздігіне сәйкес келеді.
Жақсы ақау талдауы зертханалық құралдарды пайдаланып, далалық өнімділікті алдын ала болжауға мүмкіндік беруі керек.
Кристалдық кремнийдің тұрақтылығы оның ең үлкен қорғанысы
Мына мақаланың сынақ шарттарын қараңыз: -80°C-тан +80°C-қа дейін, 100 цикл, 16°C/мин.
Бұл әлі ECSS стандартына жетпейді, бірақ кристалдық кремний үшін бұл қалыпты жағдай. -40°C-тан +85°C-қа дейінгі TC200 (200 термиялық цикл) сынағында кристалдық кремний деградация 2%-дан асса істен шығады.
Перовскит кристалдық кремнийді алмастыру үшін тиімділік бойынша қуып жету жеткіліксіз — ол бірдей сынақ стандарттары бойынша 25 жыл шыдауы керек.
Интерактивті сауалнама
Перовскиттің ғарышқа ұшатынына сенесіз бе?
Пікірлеріңізді қалдырыңыз.
Анықтамалық ақпарат
Атауы: Towards space compatible perovskite solar cells: guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing
Жылы: 2026
DOI: 10.1039/d5ee03704b
Ooitech көзқарасы
Ooitech сенімі: перовскиттің ғарышқа жолы тиімділікті қууға емес, қатал термиялық соққы циклдеріне төтеп беруге байланысты — және күн батареясының құндылығының нақты өлшемі шикі тиімділік емес, сол төзімділік.
