Thermally Adaptive Interfacial Polymer Network Enables Space-Compatible Perovskite Solar Cells

Zonlicht is een krachtige motor, maar het is ook een harde omgeving. Voor de zonnepanelen die satellieten aandrijven die rond de aarde draaien, bestaat de uitdaging niet alleen uit het opvangen van licht, maar ook uit het overleven van de gewelddadige temperatuurschommelingen die optreden wanneer ze in en uit de schaduw van de planeet schieten. In het vacuüm van de ruimte kan een satelliet in enkele minuten bakken bij honderd graden Celsius en vervolgens bevriezen bij min zestig graden Celsius. Deze snelle verschuivingen zorgen ervoor dat materialen uitzetten en krimpen, wat onzichtbare spanningen veroorzaakt die de delicate lagen binnen een zonnecel doen barsten en verzwakken. Hoewel een nieuw type zonnecel gemaakt van metaalhalide-perovskiet een lichtgewicht, efficiënt alternatief biedt voor traditioneel silicium, hebben deze cellen historisch gezien moeite gehad om dergelijke extreme thermische schokken te overleven. Het probleem ligt vaak bij de verborgen grens waar de lichtabsorberende laag de elektrische contacten ontmoet; wanneer de materialen met verschillende snelheden uitzetten en krimpen, barst deze begraven interface, wat defecten creëert waardoor energie ontsnapt en het apparaat uiteindelijk vernietigt.

Een team onderzoekers aan de Fudan Universiteit heeft een manier gevonden om deze zonnecellen flexibel genoeg te maken om de zware omstandigheden van de ruimte te doorstaan. Ze introduceerden een dunne laag van een speciaal polymeer, een type kunststof, tussen het elektrische contact en de lichtabsorberende kristal. Dit polymeer fungeert als een slimme, adaptieve kussen. Het is ontworpen om van fysieke staat te veranderen wanneer het wordt verhit. Bij kamertemperatuur is het stijf, maar wanneer de zonnecel opwarmt tijdens de werking of onder de zon, wordt het polymeer zachter en verandert het in een rekbaar, gelachtig netwerk. Deze transformatie stelt het materiaal in staat om de spanning van uitzetting en krimp op te vangen zonder de verbinding met het kristal eronder te verbreken. Door de interface intact te houden, zelfs wanneer de temperaturen wild fluctueren, voorkwamen de onderzoekers de vorming van nieuwe scheuren en defecten die deze apparaten gewoonlijk vernietigen.

Het materiaal dat ze kozen heet poly(2-hydroxyethylmethacrylaat). In zijn normale staat is het een vaste stof, maar het heeft een specifieke "glasovergangstemperatuur", een punt waarop het verschuift van hard en bros naar zacht en buigzaam. De onderzoekers ontdekten dat deze overgang plaatsvindt bij een temperatuur die de zonnecel van nature bereikt tijdens de werking. Wanneer de cel opwarmt, beginnen de polymeerketens binnen de laag te bewegen en zichzelf te herschikken. Deze beweging stelt het polymeer in staat om in kleine openingen en gaatjes te stromen die tijdens het productieproces kunnen zijn ontstaan, waardoor de interface effectief wordt verzegeld. Belangrijker nog is dat de chemische groepen op het polymeroppervlak zich uitstrekken en zich vastgrijpen aan het kristaloppervlak, waardoor het stevig wordt vastgehouden, zelfs wanneer de materialen proberen uiteen te trekken door thermische spanning. Deze dynamische grip voorkomt dat de interface loslaat of microscopische scheurtjes ontwikkelt die tot falen leiden.

Om te testen of deze aanpak werkte, bouwde het team zonnecellen met deze adaptieve laag en stelde deze bloot aan omstandigheden die de harde omgeving van een lage aardbaan nabootsen. Ze brachten de apparaten honderden keren door cycli tussen min zestig en plus honderd graden Celsius, waarbij ze de apparaten verwarmden en koelden met een snelheid van tweeëndertig graden per minuut. Na vijfhonderd veertig van deze snelle cycli behielden de zonnecellen met de adaptieve laag negentig procent van hun oorspronkelijke efficiëntie. In tegenstelling hiertoe verloren de standaardcellen zonder deze laag een aanzienlijk deel van hun prestaties, waarbij ze slechts tot vijfenzeventig procent zakten. De onderzoekers testten de cellen ook onder intense ultraviolette licht en langdurige hoge hitte, waarbij ze ontdekten dat de adaptieve laag het apparaat beschermde tegen chemische degradatie en structurele instorting die gewoonlijk in deze omstandigheden optreden.

Naast het simpelweg overleven van de stress, verbeterde de adaptieve laag ook hoe de zonnecel werkte. Omdat het polymeer de gaten opvulde en de interface gladde, konden de elektrische ladingen die door zonlicht worden gegenereerd gemakkelijker door het apparaat bewegen. Dit resulteerde in een efficiëntere omzetting van licht in elektriciteit. Het best presterende apparaat bereikte een efficiëntie van zevenentwintig komma twee vijf procent, een hoge markering voor dit type technologie, en een gecertificeerde meting bevestigde een efficiëntie van zevenentwintig komma negenentwintig procent. De studie toonde ook aan dat de cellen stabiel bleven gedurende honderden uren onder continue werking, waarbij ze bijna negentig procent van hun vermogen behielden.

Het succes van deze methode suggereert een nieuwe manier om na te denken over het bouwen van duurzame elektronica voor extreme omgevingen. In plaats van te proberen elke laag van een apparaat rigide en onveranderlijk te maken, wat vaak leidt tot barsten onder spanning, lieten de onderzoekers zien dat het introduceren van een materiaal dat zijn vorm kan aanpassen als reactie op warmte, langdurige bescherming kan bieden. Deze aanpak repareert niet alleen een kapot onderdeel; het voorkomt de schade van tevoren door de interface te laten ademen en bewegen met de veranderende omstandigheden. Voor de toekomst van ruimteverkenning, waar betrouwbare energie cruciaal is, kan deze eenvoudige maar effectieve strategie van het gebruik van een thermisch reagerende kunststoflaag het verschil maken tussen een satelliet die in het eerste jaar faalt en een die decennia lang missies kan ondersteunen.