Исследовательская ракета "Mapheus-8" Немецкого центра авиации и космонавтики (DLR) стартовала летом 2019 года с необычным грузом на борту, на севере Швеции она была запущена в восьмиминутный исследовательский космический полет. Обычно биологические образцы и спецматериалы транспортируются в космос для тестирования в условиях невесомости, но на этот раз набор новых солнечных элементов стал частью оборудования. Эксперимент команды специалистов из Мюнхенского технического университета и DLR показал, что органические и так называемые перовскитовые солнечные элементы применимы в космосе так же, как и солнечные батареи из кристаллического кремния, десятилетиями обеспечивающие питание спутников и космических зондов.

Солнечные батареи, часто в виде объемных солнечных панелей, являются стандартным оборудованием большинства космических аппаратов с 1958 года – с момента запуска американского спутника "Vanguard 1", оснащенного "солнечной батареей". Однако старые добрые кристаллические кремниевые или высокопроизводительные тонкопленочные элементы дороги и сравнительно тяжелы, что еще больше увеличивает и без того высокий стартовый вес ракеты-носителя. Поэтому ученые уже давно в поиске более дешевой и легкой фотоэлектрической замены.

Ставка была сделана на солнечные батареи из полупроводниковых углеводородных соединений, а также из так называемых перовскитов, которые представляют собой кристаллические неорганические материалы, которые имеют ту же кубическую кристаллическую структуру, что и минерал титанат кальция. Эффективность лучших органических солнечных элементов составляет 17 процентов, а самых мощных перовскитовых модулей – и вовсе 25 процентов. Эффективность последних, таким образом, приближается к самым мощным монокристаллическим кремниевым солнечным элементам, которые могут задействовать около 27 процентов солнечного света при их теоретическом максимуме в 29 процентов.

Решающее же преимущество клеток перовскита и их органических аналогов в том, что их можно сверхтонким слоем нанести на большие поверхности путем напыления, давления либо в виде раствора. "Такие солнечные элементы, нанесенные на ультратонкие гибкие пластиковые пленки, чрезвычайно легкие и имеют толщину менее микрометра. Они могут достигать КПД почти 30 ватт на грамм", – говорит руководитель исследовательской группы Петер Мюллер-Бушбаум (Peter Müller-Bumbausch). Несколько ниже удельный выход энергии у органических солнечных элементов – 10 ватт на грамм. При этом энергоотдача кремниевой клетки лишь 1 ватт на грамм, а лучшие тонкопленочные солнечные элементы демонстрируют КПД лишь 3 ватта на грамм.

Однако при очевидных преимуществах до сих пор не хватало доказательств того, что инновационные модули будут работать в условиях космоса – при высоком радиационном облучении, экстремальных колебаниях температуры и в вакууме. Подвергалось сомнению и то, выдержат ли они механические нагрузки запуска ракеты. Ответы мюнхенские исследователи ждали от полета  ракеты "Mapheus-8", на внешней стороне которой были установлены два различных типа органических и перовскитовых солнечных элементов. На протяжении всего полета измерялись углы и интенсивность падающего солнечного излучения, а также характеристики тока и напряжения солнечных элементов. Оказалось, что  в космосе эффективность батарей достигла почти тех же значений, что были зафиксированы в лаборатории вскоре после изготовления клеток: КПД лучших органических солнечных элементов составил 7 ватт на грамм, а перовскитовых солнечных модулей – 14 ватт на грамм.

Благодаря тонкой конструкции инновационные батареи производили ток даже при рассеянном освещении. Таким образом, по мнению немецких исследователей, новые солнечные элементы можно использовать даже в условиях низкой освещенности, например, для полетов во внешнюю область Солнечной системы, где солнечный свет для обычных космических солнечных элементов слишком слабый. Однако для того, чтобы первые спутники или космические зонды начали снабжаться током от органических или перовскитовых солнечных элементов, необходимы дальнейшие многомесячные испытания в космосе.

Арина Попова