Perowskity uznawane są za obiecujące absorbery światła stosowane w fotowoltaice. Otrzymane w ten sposób ogniwa słoneczne są cienkie i lekkie, mogą być wytwarzane tanimi metodami chemii mokrej, wykorzystując głównie tanie surowce oraz mogą być elastyczne (więcej o ogniwach perowskitowych: Ogniwa perowskitowe na bazie organiczno-nieorganicznego perowskitu halogenkowego). Te cechy sprawiają, że perowskitowe ogniwa słoneczne są intrygujące jako możliwe do implementowania w praktycznie każdej sferze życia codziennego ale również, co może być zaskakujące, jako technologie kosmiczne.
Istnieje obawa, że środowisko pozaziemskie może łatwo spowodować przedwczesną awarię tych urządzeń przede wszystkim z uwagi na obecność promieniowania wysokoenergetycznego, które jest najbardziej niebezpiecznym czynnikiem mogącym je uszkodzić [V. Romano et al., ACS Energy Lett., 2022, 7, 2490-2514].
Jednym z głównych wyzwań stojących przed naukowcami jest zapewnienie wysokiej wytrzymałości urządzeń ze względu na trudne warunki, w jakich działają. W rzeczywistości atmosfera otaczająca Ziemię działa jak tarcza ochronna przed promieniowaniem i reguluje temperaturę otoczenia, więc przyjmuje się, że systemy naziemne działają w kontrolowanym środowisku (stabilność ogniw perowskitowych: Stabilność perowskitowych ogniw słonecznych - cz.1., Stabilność perowskitowych ogniw słonecznych - cz. 2.). Inaczej jest wraz ze wzrostem wysokości gdzie właściwości fizykochemiczne środowiska stają się niekorzystne.
Wśród wszystkich elementów statku kosmicznego, urządzenia generujące energię i komponenty elektroniczne odgrywają kluczową rolę, ponieważ te pierwsze dostarczają energię potrzebną do zasilania całego systemu, podczas gdy te drugie zarządzają podstawowymi operacjami, takimi jak komunikacja naziemna. W szczególności nowoczesne promy kosmiczne potrzebują kilku kilowatów energii elektrycznej [A. Hepp et al., IEEE Aerosp. Electron. Syst. Mag., 2008, 23, 31−41], która jest zwykle wytwarzana za pomocą technologii fotowoltaicznych (ze względu na dostęp energii słonecznej i wymogi bezpieczeństwa), stanowiąc przewagę nad alternatywnymi bateriami, ogniwami paliwowymi czy energią jądrową [J. Yang et al., Nano Energy, 2020, 76, 105019]. Przykładowo Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ISS posiada cztery panele słoneczne złożone z ponad 260 000 ogniw słonecznych na bazie krzemu, wytwarzających do 120 kW mocy [https://www.nasa.gov/mission_pages/station/structure/elements/solar_arrays-about.html]. Koszt technologii fotowoltaicznych stanowi kolejny ważny czynnik, zwłaszcza dla realizacji pozaziemskich stacji mieszkalnych (na przykład na Księżycu i Marsie) oraz dla nowych możliwości, jakie otworzyła prywatyzacja przemysłu kosmicznego, jak na przykład turystyka [G. Genta et al., Acta Astronaut, 2014, 104, 480-486].
Rys. 1. Panele fotowoltaiczne będące elementem zasilającym Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS [https://www.pexels.com/].
Obecnie do zastosowań kosmicznych stosuje się ogniwa krzemowe i wielozłączowe oparte na półprzewodnikach z grup III-V układu okresowego (Tandemowe ogniwa słoneczne: Tandemowe ogniwa słoneczne – podstawy, zasada działania, perspektywy). Najlepiej działające urządzenia dostępne na rynku produkują firmy SolAero, Spectrolab, CESI i Azur Space. Ogniwo o składzie AlInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge firmy Azur Space charakteryzuje się początkową sprawnością wynoszącą 31,8 % (przy oświetleniu AM0) [https://www.azurspace.com/index.php/en/]. Urządzenia te są jednak sztywne i grube (> 100 μm), co czyni je ciężkimi i wymagającymi skomplikowanych oraz kosztownych procesów produkcyjnych, w których dodatkowo stosuje się rzadkie materiały [F. Lang et al., Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1634]. Niestety ogniwa wielozłączowe wykazują spadek wydajności wynoszący ok 25 % w ciągu 3 lat z uwagi na promieniowanie protonowe [S. Park et al., Prog. Photovoltaics Res. Appl., 2018, 26, 778-788]
Perowskity metalohalogenkowe wzbudziły zainteresowanie naukowców ze względu na ich właściwości fizykochemiczne oraz wydajności przekraczające 25%. Posiadają wysoki współczynnik absorpcji w spektrum widzialnym, niską energię wiązania ekscytonów, niską Energię Urbacha, duże długości dyfuzji zarówno elektronów, jak i dziur, wysoką tolerancję na defekty oraz sterowalną wartość przerwy energetycznej, co predestynuje je do zastosowań w strukturach wielozłączowych [V. Romano et al., ACS Energy Lett., 2022, 7, 2490-2514]. Wreszcie, cechują się niską masą, stosunkowo niskim kosztem produkcji i możliwością nanoszenia na elastyczne podłoża, co stanowi kluczowe wymagania dla zastosowań kosmicznych, nie tylko w celu zmniejszenia kosztów wystrzeliwania statków kosmicznych, ale także w celu umożliwienia produkcji wysuwanych paneli słonecznych [B. Hoang et al., IEEE Aerospace Conference, 2016, 1−12]. Wykorzystanie perowskitów metalohalogenkowych może stanowić rewolucyjne rozwiązanie dla rynku kosmicznej fotowoltaiki z uwagi na ich odporność na trudne i nieprzyjazne warunki, takie jak obecność ogromnych ilości promieniowania (zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio jonizującego) oraz gradienty temperatur (od -120 do +120 oC dla satelitów krążących wokół Ziemi). Spory wśród naukowców wywołują kwestie mechanizmu degradacji perowskitów, głównie dlatego, że dość trudno jest odróżnić efekty związane z oświetleniem i starzeniem od tych związanych z bombardowaniem specyficznym promieniowaniem. Naukowcy wskazują na wyraźniejszą degradację absorberów zawierających cząsteczki organiczne, co sugeruje, że zastosowanie perowskitów opartych na cezie może być obiecującym rozwiązaniem dla zapewnienia długoterminowej stabilności [F. Bella et al., Science, 2016, 354, 203-206]. Dodatkowo stosowanie w strukturze kationów mieszanych korzystnie wpływa na pracę w warunkach niskiej intensywności promieniowania i niskiej temperatury typowych dla orbit Marsa, Jowisza i Saturna (misje w przestrzeni kosmicznej) [C.R. Brown et al., ACS Appl. Energy Mater., 2019, 2, 814-821].
Ogniwa perowskitowe wydają się być dobrą alternatywą dla krzemowych i wielozłączowych urządzeń działających w przestrzeni kosmicznej. W najbliższej perspektywie naukowcy wskazują potrzebę badania sposobów hermetyzacji ogniw oraz przeprowadzenie rygorystycznych testów kwalifikacji kosmicznej AIAA-S111, typowych dla półprzewodników Si i III-V [L. McMillon-Brown et al., ACS Energy Lett., 2022, 7, 1040-1042].
