As perovskitas, que mostraram um enorme potencial como um novo semicondutor para células solares, estão ganhando atenção, bem como uma potencial tecnologia de próxima geração para também alimentar missões espaciais. À medida que cientistas de todo o mundo continuam os esforços para aproveitar o potencial das perovskitas na Terra, outros estão analisando o quão bem a tecnologia pode funcionar na órbita do planeta.
Um esforço de pesquisa colaborativa para abordar coletivamente essa importante questão envolvendo cientistas do National Renewable Laboratory (NREL) estabelece diretrizes para testar as propriedades de tolerância à radiação das perovskitas destinadas ao uso no espaço.

“A radiação não é realmente uma preocupação na Terra, mas se torna cada vez mais intensa à medida que nos movemos para altitudes cada vez mais altas”, disse Ahmad Kirmani, pesquisador de pós-doutorado do NREL e principal autor do novo artigo, “Countdown to perovskite space launch:Guidelines to realizando experimentos de dureza de radiação relevantes", que aparece em Joule .

A radiação que atinge a Terra tende a ser principalmente fótons, ou luz do sol, que as células solares absorvem e usam para gerar eletricidade. No espaço, no entanto, a radiação vem de todas as direções na forma de prótons, elétrons, nêutrons, partículas alfa e raios gama. Isso cria um ambiente inóspito para a operação de muitos dispositivos eletrônicos, incluindo células solares. Portanto, à medida que os pesquisadores desenvolvem novas tecnologias para aplicações espaciais, uma reflexão cuidadosa e testes rigorosos devem ser realizados para garantir que a tecnologia possa funcionar por um longo período no ambiente operacional.

"Quando você tenta imitar a radiação no espaço com um teste baseado na Terra, é muito desafiador porque você precisa considerar muitas partículas diferentes e a energia das partículas associadas, e elas têm influências diferentes em várias camadas dentro da célula solar. Tudo depende sobre onde você pretende que a tecnologia opere no espaço e quais eventos específicos de radiação são conhecidos por ocorrer lá", disse Joseph Luther, co-autor do artigo e cientista sênior da equipe de Materiais Químicos e Nanociência do NREL.

Seus colegas do NREL que contribuíram para o artigo são Nancy Haegel, David Ostrowski, Mark Steger e Kaitlyn VanSant, que é uma colega do programa de pós-doutorado da NASA que trabalha no NREL.

Outros pesquisadores envolvidos estão com a Universidade de Oklahoma, o Laboratório de Propulsão a Jato, o Instituto de Tecnologia da Califórnia, a Corporação Aeroespacial, a Universidade do Colorado-Boulder, o Centro de Pesquisa Glenn da NASA, a Universidade do Norte do Texas e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA. Os colaboradores são especialistas na área de testes de radiação de células solares. Sua contribuição resultou em um consenso sobre como abordar o teste de células solares de perovskita para aplicações espaciais.

A pesquisa é a mais recente colaboração envolvendo cientistas do NREL interessados ​​em colocar perovskitas no espaço. O ano passado testemunhou o teste de perovskitas para durabilidade no espaço. As células de perovskita foram afixadas na parte externa da Estação Espacial Internacional em parte para ver como lidariam com a exposição à radiação.

As células solares que foram usadas para satélites em órbita ou nos rovers de Marte, por exemplo, são feitas de silício ou materiais III-V da tabela periódica dos elementos. Perovskitas referem-se a uma estrutura química em vez de um elemento. Eles idealmente podem ser fabricados a baixo custo em comparação com as tecnologias solares convencionais e também pesam menos.

Outros pesquisadores relataram que as perovskitas podem tolerar radiação intensa com durabilidade sem precedentes, mas o novo artigo de Joule oferece diretrizes sobre exatamente como testá-las na Terra para o espectro de radiação complicado real em várias órbitas espaciais.

"Este é um trabalho importante", disse Haegel, diretor do centro de Ciência dos Materiais do NREL. "Se queremos acelerar nosso progresso em perovskitas para PV espacial, é importante reunir a comunidade e definir as questões e experimentos críticos. As perovskitas são diferentes, de várias maneiras, e temos que repensar ideias antigas sobre como avaliar efetivamente as células solares para o ambiente de radiação no espaço. Este artigo faz essa contribuição."

Os pesquisadores se basearam em simulações realizadas através do SRIM, uma simulação de Monte Carlo que modela a passagem de íons através da matéria. Os aceleradores de partículas são usados ​​para testar a tolerância à radiação, mas os pesquisadores disseram que é crucialmente importante selecionar a energia correta da partícula e saber como essa condição de teste se relaciona com os complexos espectros de radiação aos quais os painéis seriam expostos no espaço. O trabalho liderado por Ian Sellers na Universidade de Oklahoma apontou para o fato de que os prótons deveriam ser o foco inicial.

As simulações modelaram o disparo de prótons com várias energias em uma célula solar de perovskita e determinaram como os feixes de prótons interagiriam. Prótons de alta energia atravessaram as finas células de perovskita na simulação. Os prótons de baixa energia são absorvidos adequadamente e causam danos à estrutura da perovskita, permitindo que os pesquisadores meçam então como esse dano de radiação corresponde à capacidade da célula solar de produzir eletricidade. Prótons de alta energia criam mais calor dentro da perovskita, o que cria uma complicação adicional na compreensão da tolerância à radiação. Isso difere das células solares convencionais, onde prótons e elétrons de alta energia são usados ​​para determinar os efeitos da radiação.

Os resultados da pesquisa são os primeiros de uma longa série de passos para o uso de perovskitas no espaço.

“Há muitas maneiras diferentes de construir células solares de perovskita, então queremos desenvolver uma que seja especificamente melhor para o espaço”, disse Luther. “Esse objetivo envolverá muitas iterações entre fazer uma nova célula, testar a tolerância à radiação e usar o que aprendemos para melhorar o design da célula”.

Outras pesquisas também precisarão ser conduzidas, incluindo quão bem as perovskitas lidam com as variações extremas de temperatura no espaço.

Kirmani disse que trabalho adicional deve ser feito para proteger, ou encapsular, as células solares de perovskita sem sacrificar suas propriedades leves pela adição de vidro extra. "Na verdade, estamos trabalhando nessa tecnologia agora e descobrimos algumas composições químicas que podem ser facilmente depositadas no topo do módulo de perovskita de maneira muito barata, sem aumentar drasticamente o peso total".

Quando um próton atinge a célula de perovskita com a quantidade certa de energia, um átomo pode ser deslocado e causar uma queda na eficiência. No entanto, as perovskitas possuem a capacidade de autocura. Um aumento na quantidade de calor que flui através da célula pode forçar os átomos a voltarem para a posição correta. Isso também requer pesquisas adicionais.

“Queremos descobrir como o efeito funciona, como pode ser benéfico e se é realista sob as condições apropriadas no espaço”, disse Luther.