在晴朗的夜晚，凱特琳·范桑特(KaitlynVanSant)將能夠欣賞她的工作。然而，要知道她的項目是否成功，必須等到國際空間站的需要補給返回地球之后才可以。

“我和我的家人肯定更頻繁地在晚上抬頭，”去年從科羅拉多礦業(yè)學院獲得材料科學博士學位的VanSant說。她現(xiàn)在是NASA的博士后研究員，VanSant在國家可再生能源實驗室(NREL)擁有獨特的合作任命。

NREL和NASA的結對延續(xù)了太陽能與太空之間的長期聯(lián)盟。專門面向太陽的光伏(PV)面板已被用于為火星探測器和太空探測器發(fā)電，但這些高效太陽能電池的制造成本太高，無法在地球上使用。NREL的研究人員正在測試降低地面應用成本的方法，并改變光伏技術在太空中的工作方式。

來源：丹尼斯施羅德，NREL

最新的測試將評估鈣鈦礦太陽能電池在太空中的潛在用途，并評估這些電池中使用的材料的耐用性。VanSant與NREL的AhmadKirmani、JoeyLuther、SeverinHabisreutinger、RosieBramante、DaveOstrowski、BrianWieliczka和BillNemeth合作，準備了鈣鈦礦電池和材料。其中8個樣品于8月發(fā)射到空間站，另一組25個樣品將于2022年春季發(fā)射。每個樣品的大小均為一平方英寸，是材料國際空間站的一部分實驗（MISSE）程序并將其固定在軌道平臺的外部。

國際空間站(ISS)是一個軌道研究實驗室和天文臺，在包括天文學、物理學和材料科學在內的一系列領域進行科學實驗，僅舉幾例。

NASAGlenn光伏組的電氣工程師TimothyPeshek說：“例如，我們可以通過在真空室中模擬地面空間環(huán)境來證明非常新興的技術，這樣我們就不會自欺欺人。這就是現(xiàn)實世界的操作。”

在獲得將PV實驗返回空間站的批準后，Peshek呼吁可能想要參與的研究人員。NREL材料物理研究組的研究員AdeleTamboli對這個機會表示歡迎，并將Peshek介紹給了VanSant。

“與國家可再生能源實驗室合作意義重大，”他本人是NREL的前博士后研究員說：“他們在第一天就準備好了設施和能力。”

地球上的太陽能往往是由硅模塊產生的。其他光伏技術，例如太空中使用的那些，依賴于周期表中III和V列的材料，被稱為III-V電池。科學家們已經嘗試在一層硅上堆疊III-V族電池，以提高捕獲陽光并將其轉化為電能的效率。在典型的地球太陽光譜下測量時，最有效的硅太陽能電池本身約為26%。（太陽光譜在地球和太空中是不同的。）

Tamboli是在2017年為硅基III-V電池創(chuàng)造記錄的研究小組之一，其中包括效率為35.9%的三結電池。她與VanSant和專職科學家EmilyWarren后來提議，這些類型的電池可以用于為低地球軌道上的衛(wèi)星供電。在此之前，這些電池必須在太空的極端條件下進行測試。

設備會受到溫度的劇烈波動和太陽輻射的轟擊。當國際空間站移動到地球后面并遠離太陽時，溫度會驟降至華氏零以下250度。出現(xiàn)在陽光下會使溫度達到零以上250度。

“這太苛刻了，”Peshek說：“那是一個相當殘酷的環(huán)境。”

“輻射損害是一個因素，”沃倫說：“我們的記錄電池是硅上的砷化鎵，而我們發(fā)送的實際上是硅上的磷化鎵銦。那是因為我們知道這些材料會更耐輻射。”

SpaceX的貨運補給飛船于2020年3月將NREL的III-V硅太陽能電池運送到國際空間站。研究集中在硅上III-V族串聯(lián)太陽能電池上，與NREL的MichelleYoung和JohnGeisz合作制造了MISSE項目的原型電池，并觀看了將其送入太空的火箭發(fā)射的廣播。

該鈣鈦礦樣品處于中間晶相，即將放置在加熱板上以完全結晶。來源：丹尼斯施羅德，NREL

“我和我的兩個女兒一起看的，”范桑特說：“他們從中獲得了真正的樂趣。我的意思是，如果不完全著迷，你就無法真正觀看太空發(fā)射。沒有人會對太空發(fā)射感到厭煩。”

原型機在1月份返回地球之前，在國際空間站外部固定了10個月。

“電池的飛行后分析使我們有機會研究我們希望如何改進設計并改進其性能，并了解這是否可以成為一種在太空中提供動力的技術，”VanSant說。

現(xiàn)在，她正在等待鈣鈦礦太陽能電池和材料，預計將在國際空間站上花費六個月的時間。這個過程不是直接進入太空。在NREL之后，電池被運送到Alphaspace，這是一家休斯頓公司，該公司準備在MISSE平臺上運行的樣品，并安排在SpaceX航班上啟動實驗。

鈣鈦礦太陽能電池是使用多種化學物質的混合物生長的，并且以快速提高它們利用陽光獲取能量的效率而著稱。正在進行的實驗涉及為商業(yè)用途準備鈣鈦礦電池。早期的鈣鈦礦細胞降解太快。已經取得了進展，但仍有工作要做。

“這是一個真正有趣的問題，”Peshek說：“因為這些細胞因存在降解問題而臭名昭著。但它們降解的原因是水分和氧氣。我們在太空中不必擔心這一點。”

NREL高級科學家、該項目的聯(lián)合顧問、鈣鈦礦技術專家約瑟夫·路德(JosephLuther)指出，在輻射測試設施中進行的地球綁定實驗表明，鈣鈦礦太陽能電池具有驚人的耐輻射性。它們非常薄，所以有很大幫助。大部分輻射直接穿過它們。硅，相對于鈣鈦礦，厚數(shù)百倍。由于生產規(guī)模，它也非常便宜，并且非常適合地面光伏應用，但在太空中它太厚了，當輻射撞擊到表面時，它會被吸收并損壞細胞，造成問題。

輕質鈣鈦礦太陽能電池將符合NASA正在進行的任務，即降低將有效載荷送入軌道的價格，從今天的每磅約10,000美元到四分之一個世紀內的每磅數(shù)百美元。

“我們對嘗試匹配III-V族太陽能電池的效率非常感興趣，但要在極其輕巧的電池設計中做到這一點，”Luther說：“鈣鈦礦可以沉積在塑料或金屬箔之類的東西上，它們相對較輕。”

在離開NREL之前測量了太陽能電池的效率，并將在它們返回時再次測量。細胞和細胞的組成材料也將在飛行前后進行表征，由史蒂夫約翰斯頓提供成像專業(yè)知識。鈣鈦礦電池和材料在旅途中的存活情況將立即顯現(xiàn)。美國宇航局格倫研究中心的研究工程師、與Peshek合作將鈣鈦礦帶入太空的首席研究員LyndseyMcMillon-Brown說，顏色變化提供了第一個線索。

“鈣鈦礦太陽能電池的理想相是黑色相，”她說：“這些材料是烏黑的。然而，當這些東西降解時，它們會變成黃色的芥末色。所以我們希望在他們回來時能看到黑色材料。”

從鈣鈦礦在太空中度過的時間中汲取的教訓可以幫助地球上的技術。

“我們在太空中面臨的一些事情是極端的，比如極端的溫度循環(huán)、極端的紫外線照射，但是當你在地球上時，你仍然會暴露在紫外線下，并且仍然有溫度循環(huán)，”麥克米倫-布朗說：“它只是沒有那么快速和頻繁。我們仍然認為我們的經驗教訓和我們的發(fā)現(xiàn)將適用并有助于使鈣鈦礦更暢銷，并在地球上獲得更大的商業(yè)市場份額。”

在等待鈣鈦礦樣品歸還時，VanSant會定期收到正在進行的工作的提醒。

“除了觀看國際空間站在夜空中掠過之外，我們還觀看了美國宇航局從國際空間站外的攝像機拍攝的視頻片段，這些視頻片段顯示地球在國際空間站軌道上經過，”范桑特說：“這些發(fā)射是一個很好的提醒，可以仰望夜空，也是一個從完全不同的角度看事物的機會。”