NASA: zonnecel van perovskiet werkt beter in ruimte dan op aarde

Lyndsey McMillon-Brown hoopte iets anders te zien dan mosterdgeel toen de NASA-onderzoeksingenieur een klein monster openklikte. En dat gebeurde, de zonnecelfolie van perovskiet was nog steeds donkerzwart na 10 maanden in het internationale ruimtestation te hebben doorgebracht. Daarmee is bewijs geleverd dat het innovatieve zonnecelmateriaal van haar team geschikt is voor mogelijk gebruik op toekomstige ruimtemissies.

Eerste demonstratie
McMillon-Browns op het ruimtestation geteste monster maakte deel uit van de eerste demonstratie tijdens een ruimtevlucht onder leiding van NASA’s Glenn Research Center in Cleveland om te onderzoeken of perovskiet duurzaam is en de harde omgeving van de ruimte kan overleven.

De na 10 maanden nog altijd donkerzwarte kleur betekende dat de perovskietfilm in zijn meest efficiënte vorm was om licht te absorberen, terwijl geel zou betekenen dat het kristallijne materiaal was afgebroken tot loodjodide, dat niet bruikbaar is voor zonnecellen. ‘We wisten niet precies wat we konden verwachten’, vertelt McMillon-Brown. ‘Het was zoiets als een deur openen en niet weten wat er aan de andere kant zou zijn.’

Mars
Als de mensheid een langdurige aanwezigheid op de maan en Mars wil vestigen, zullen astronauten betrouwbare energiebronnen nodig hebben om hun habitats en wetenschappelijke instrumenten te onderhouden. NASA-onderzoekers denken dat perovskiet kan worden gebruikt in zonnecellen die dunner, goedkoper, lichter en flexibeler zijn dan die welke momenteel worden gemaakt van silicium of elementen van groep III en V – de III-V-zonnecellen – van het periodiek systeem.

Hoewel perovskieten op aarde al experimenteel zijn getest, betekent vliegen in de ruimte dat het materiaal tegelijkertijd kan worden blootgesteld aan vacuüm, extreme temperaturen, straling en lichtstress. ‘Er is geen analoge grondmachine, geen machine die al die gekke dingen tegelijk kan doen zoals het internationale ruimtestation’, duidt McMillon-Brown.

1 inch
Het perovskietmonster van 1 bij 1 inch werd begin 2019 in een lab gemaakt. Nadat de dunne film aan strenge veiligheidseisen voldeed, werd hij in maart 2020 naar het ruimtestation gebracht als onderdeel van het Materials International Space Station Experiment (MISSE). Astronauten voerden een ruimtewandeling uit om het kofferachtige MISSE-platform te openen en aan de buitenkant van het ruimtestation te bevestigen, waardoor het perovskiet en andere experimenten werden blootgesteld aan de extreme omstandigheden van de ruimte.

Baan om de aarde
Na bijna 1 jaar rondgeslingerd te hebben in een baan om de aarde en in en uit direct zonlicht gedoken te zijn, keerde de dunne film in januari 2021 terug naar de aarde. Het zonnecelmonster werd geanalyseerd door partners van de University of California Merced, onder leiding van professor Sayantani Ghosh. De wetenschappers hebben bestudeerd wat met het zonnecelmonster is gebeurd en het vergeleken met een controlemonster dat op de aarde bleef. Partners van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben ook bijgedragen aan de analyse na de vlucht.

De onderzoekers hebben 2 belangrijke bevindingen gedaan. Temperatuurschommelingen tijdens de omloop krompen en zetten het monster voortdurend uit, waardoor het onder druk kwam te staan en de interactie met licht veranderde. Daarbij ontdekten ze iets verrassends: toen het perovskiet uit de ruimte op aarde in licht werd gedompeld, ontspande de opgebouwde spanning en werden de zonlichtabsorberende kwaliteiten hersteld, in tegenstelling tot het controlemonster, dat in dezelfde omstandigheden achteruitging.

Superkracht
‘Dit is een waardevolle eigenschap’, stelt McMillon-Brown. ‘Want het betekent dat perovskietzonnecellen in de ruimte kunnen worden gebruikt tijdens langdurige missies. We weten niet precies wat onze film in de ruimteomgeving deze superkracht geeft.’

Een andere uitkomst is dat de temperaturen in de ruimte de rangschikking van de zogenaamde perovskietkristallen hebben beïnvloed, waardoor de manier waarop ze licht absorberen ten goede is veranderd. McMillon-Brown: ‘Het feit dat ze in de ruimte langer een gunstige opstelling houden en bij veel lagere temperaturen kunnen werken, is ook een sterk voordeel voor dit materiaal.’

Experimenten
‘Veel mensen betwijfelden of deze materialen ooit sterk genoeg zouden kunnen zijn om de harde omgeving van de ruimte aan te kunnen’, vervolgt McMillon-Brown. ‘Ze hebben het niet alleen overleefd, maar in sommige opzichten floreerden ze zelfs. Er zijn kansen om in de toekomst in de energiebehoeften van missies te voorzien die met de huidige zonne-energietechnologieën niet haalbaar zijn.’

McMillon-Brown en haar team zullen nu nagaan welke specifieke delen van de ruimteomgeving het perovskiet hebben veranderd. Binnenkort zullen ze de resultaten doornemen van alle perovskietzonnecelexperimenten die in het ruimtestation zijn uitgevoerd sinds het eerste monster is teruggestuurd.