不斷刷新效率的鈣鈦礦電池與太陽(yáng)能電池（HOPVs）以其自身的魅力使得人們?cè)趯ふ宜鼈兊募夹g(shù)應(yīng)用上樂(lè)此不疲。在探索的道路上，人們將目光定睛在太空飛行器上。盡管目前的無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池板具有很高的效率，但是它們不僅功率小而且還略顯笨重，因此輕巧的鈣鈦礦/有機(jī)太陽(yáng)能電池便顯得格外誘人。最近，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究者們第一次將鈣鈦礦/有機(jī)太陽(yáng)能電池借助火箭送往太空，在極端環(huán)境下，電池仍能高效率工作，并可以直接利用陽(yáng)光或者來(lái)自地球表面的反射光，功率密度在7-14mW/cm2之間，該種子選手令人眼前一亮，展示其太空應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Perovskite and Organic Solar Cells on a Rocket Flight”為題于2020年8月12日發(fā)表在《Joule》雜志。
火箭MAPHEUS-8的設(shè)計(jì)
如圖1所示，火箭MAPHEUS-8的電池部位分為8個(gè)獨(dú)立部分，8個(gè)對(duì)稱(chēng)排列的艙口分別有2個(gè)模塊，各含有2類(lèi)鈣鈦礦/有機(jī)太陽(yáng)能電池組件，4類(lèi)電池組件皆為發(fā)展過(guò)程中最經(jīng)典的電池材料（圖2A）；8個(gè)艙口以方位角對(duì)稱(chēng)分布，成45°角（圖2C），艙口外均覆蓋熔融石英玻璃窗以提供飛升保護(hù)。
火箭飛行情況
圖2B顯示火箭起飛后高度隨時(shí)間的變化函數(shù)以及電池有效載荷方向。飛行共有3個(gè)階段：Ⅰ?上升過(guò)程中，陽(yáng)光直射有效載荷的一側(cè)；Ⅱ?緩慢角度漂移后有效載荷與太陽(yáng)輻射方向一致；Ⅲ?下降過(guò)程中陽(yáng)光直射再次出現(xiàn)；圖2C中Jsc的變化同樣能證明其飛行模式。
強(qiáng)太陽(yáng)輻射下的光伏性能
為衡量電池性能，引入最大功率密度Pmpp概念（單位面積的最大功率）。圖3顯示，在第I階段強(qiáng)輻射環(huán)境下，4類(lèi)電池均表現(xiàn)出優(yōu)秀的光電性能，最高電流密度超過(guò)20mA/cm2；2類(lèi)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與有機(jī)太陽(yáng)能電池的Pmpp分別超過(guò)14mW/cm2、7.5mW/cm2。太空飛行器的目標(biāo)之一在于最大程度減少火箭攜帶的設(shè)備重量，假設(shè)太陽(yáng)能電池單位面積的重量相同，那么HOPVs帶來(lái)的效果是前所未有的。正如合作者Lennart Reb認(rèn)為：“將1Kg太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)移到超薄箔片上，將覆蓋200m2以上的面積，并產(chǎn)生足夠的電能，最多可容納300個(gè)標(biāo)準(zhǔn)100W燈泡，這是當(dāng)前技術(shù)的10倍”
弱地面輻射下的維持發(fā)電
從圖2B我們得知，在火箭運(yùn)行的第二階段，電池?zé)o法對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行高效利用，但是同時(shí)發(fā)現(xiàn)來(lái)自地球表面的漫反射是另一個(gè)重要光源。圖4A、B分別顯示了第II、III階段的J-V曲線(xiàn)。由于不同的輻射強(qiáng)度，每個(gè)艙口（不同符號(hào)表示）具有不同的光電性質(zhì)。在第III階段，有3個(gè)太陽(yáng)能電池受到陽(yáng)光照射，然而在第II階段，有5個(gè)電池得到顯著光照。太陽(yáng)能電池的平均電壓從第I階段和第III階段的1V略微降低至第II階段的0.85V，其他光學(xué)性質(zhì)也略有降低，但仍能保持強(qiáng)輻射下的光電轉(zhuǎn)化效率。該發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因?yàn)樵撊踺椛鋸?qiáng)度相當(dāng)于在木星與土星上的光照強(qiáng)度，證明HOPV有望用于深空探索，目前只有1種探測(cè)器支持遠(yuǎn)距離太陽(yáng)能供電，而其他傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池在沒(méi)有直射光時(shí)便停止工作。
下一步計(jì)劃
Peter Muller-Buschbaum說(shuō)：“這項(xiàng)研究的局限性在于火箭在太空駐足的時(shí)間較短，總時(shí)長(zhǎng)只有7分鐘?！币虼讼乱徊接?jì)劃是了解電池壽命、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等特點(diǎn)，以滿(mǎn)足在太空中的長(zhǎng)期使用。
小結(jié)
這是鈣鈦礦和有機(jī)太陽(yáng)能電池首次進(jìn)入太空，經(jīng)受住了極端條件，也可以利用直射的陽(yáng)光和來(lái)自地球表面反射光產(chǎn)生能量。進(jìn)入太空的電池就像是闖入了另一個(gè)全新的世界。這不僅是一件里程碑性的事件，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)也可以應(yīng)用于我們的陸地環(huán)境，以期更好地解決能源問(wèn)題。
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