Ученые Центра энергетических технологий Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и Химического факультета МГУ показали рекордную радиационную стабильность солнечных батарей на основе сопряженных полимеров и производных фуллеренов.

Устройства выдерживают дозы ɣ-лучей более 6000 Грей, что позволяет рассчитывать на их стабильную работу на околоземной орбите в течение более 10 лет. Результаты исследований опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Чуть более 60 лет назад Советский Союз вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли. Жители всех стран мира могли регистрировать радиосигнал этого спутника, который передавался на трех частотах. Однако спустя три недели радиостанция спутника «замолчала», т.к. был исчерпан резерв отправленных на спутнике батарей, которые составляли более половины его массы. С учетом полученного опыта, уже второй и все последующие спутники запускались в космос с солнечными батареями, которые генерируют электроэнергию и обеспечивают работу электронных систем аппарата.

Чаще всего используются кремниевые солнечные батареи и фотопреобразователи на основе систем A3B5 (на основе элементов 3 и 5 групп периодической таблицы). Однако они имеют целый ряд существенных недостатков: большой вес и, как следствие, низкую удельную энергопроизводительность. Они хрупкие и малостабильные по отношению к действию ионизирующего излучения. От потока высокоэнергетичных частиц хорошо защищает инкапсуляция, а вот от гамма-лучей защититься сложно ввиду их высокой проникающей способности. Образование и накопление дефектов в кристаллической структуре классических неорганических полупроводников приводит к ухудшению их электронных свойств и быстрому падению эффективности солнечных батарей.

В последние два десятилетия значительное внимание привлекают органические солнечные батареи, которые являются легкими, гибкими и обеспечивают рекордные удельные энергопроизводительности (10–20 Вт/г). Перечисленные характеристики указывают на перспективы применения органических солнечных батарей в космосе, однако радиационная стабильность этого типа устройств на сегодняшний день малоизучена.

Ранее группа исследователей под руководством профессора Сколтеха Павла Трошина изучила радиационную стабильность перовскитных солнечных батарей и показала, что используемые на сегодняшний день комплексные галогениды свинца недостаточно устойчивы к ɣ-лучам для применения в космосе. А вот для органических солнечных батарей результаты оказались куда более оптимистичными ‒ в своем последнем исследовании ученые продемонстрировали для них превосходную радиационную стабильность.

«Выбранные для исследования карбазолсодержащие сопряженные полимеры обеспечивают длительный срок эксплуатации и приемлемые эффективности преобразования света солнечных батарей в стандартных условиях на поверхности Земли, что мы показали еще в 2015 г. В данной работе мы изучили поведение двух модельных фуллерен-полимерных систем под действием ɣ-лучей. Одна из систем показала фактически рекордную радиационную стабильность, сохранив более 80% от начальной эффективности (к.п.д.) солнечных батарей после облучения дозой 6500 Грей! Расчеты показывают, что такие дозы радиации спутники получают на околоземной орбите за более чем 10 лет. Хочу заметить, что это лишь один из первых наших результатов в этой области. Мы продолжаем наши исследования и рассчитываем создать еще более стабильные и эффективные органические солнечные батареи для космоса», – рассказывает первый автор опубликованной работы Илья Мартынов.

Обнаруженная высокая радиационная стабильность органических солнечных батарей на основе карбазолсодержащих сопряженных полимеров указывает на значительные перспективы их практического использования в космосе. Ввиду своей легкости, гибкости и высокой удельной энергопроизводительности, полимерные солнечные батареи позволят существенно снизить балластный вес спутников и увеличить полезную нагрузку.

«Крайне интересной является также перспектива развертывания в космосе «солнечных парусов» на основе гибких пластиковых солнечных батарей, что позволит значительно повысить мощность фотоэлектрических преобразователей спутников», ‒ рассказывает руководитель исследования Павел Трошин.