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(xiàng)目是否成功，必須等到國際空間站的需要補(bǔ)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(xué)院獲得材料科學(xué)博士學(xué)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(shí)驗(yàn)室(NREL)擁有獨(dú)特的合作任命。

NREL和NASA的結(jié)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(yīng)用成本的方法，并改變光伏技術(shù)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(zhǔn)備了鈣鈦礦電池和材料。其中8個(gè)樣品于8月發(fā)射到空間站，另一組25個(gè)樣品將于2022年春季發(fā)射。每個(gè)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(shí)驗(yàn)（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(gè)軌道研究實(shí)驗(yàn)室和天文臺，在包括天文學(xué)、物理學(xué)和材料科學(xué)在內(nèi)的一系列領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(shù)，這樣我們就不會自欺欺人。這就是現(xiàn)實(shí)世界的操作?！?/p>

在獲得將PV實(shí)驗(yàn)返回空間站的批準(zhǔn)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(gè)機(jī)會表示歡迎，并將Peshek介紹給了VanSant。

“與國家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)備好了設(shè)施和能力。”

地球上的太陽能往往是由硅模塊產(chǎn)生的。其他光伏技術(shù)，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(xué)家們已經(jīng)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(zhuǎn)化為電能的效率。在典型的地球太陽光譜下測量時(shí)，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(jié)電池。她與VanSant和專職科學(xué)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(jìn)行測試。

設(shè)備會受到溫度的劇烈波動(dòng)和太陽輻射的轟擊。當(dāng)國際空間站移動(dòng)到地球后面并遠(yuǎn)離太陽時(shí)，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(dá)到零以上250度。

“這太苛刻了，”Peshek說：“那是一個(gè)相當(dāng)殘酷的環(huán)境?！?/p>

“輻射損害是一個(gè)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(shí)際上是硅上的磷化鎵銦。那是因?yàn)槲覀冎肋@些材料會更耐輻射?！?/p>

SpaceX的貨運(yùn)補(bǔ)給飛船于2020年3月將NREL的III-V硅太陽能電池運(yùn)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(xiàng)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(jié)晶。來源：丹尼斯施羅德，NREL

“我和我的兩個(gè)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?！?/p>

原型機(jī)在1月份返回地球之前，在國際空間站外部固定了10個(gè)月。

“電池的飛行后分析使我們有機(jī)會研究我們希望如何改進(jìn)設(shè)計(jì)并改進(jìn)其性能，并了解這是否可以成為一種在太空中提供動(dòng)力的技術(shù)，”VanSant說。

現(xiàn)在，她正在等待鈣鈦礦太陽能電池和材料，預(yù)計(jì)將在國際空間站上花費(fèi)六個(gè)月的時(shí)間。這個(gè)過程不是直接進(jìn)入太空。在NREL之后，電池被運(yùn)送到Alphaspace，這是一家休斯頓公司，該公司準(zhǔn)備在MISSE平臺上運(yùn)行的樣品，并安排在SpaceX航班上啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

鈣鈦礦太陽能電池是使用多種化學(xué)物質(zhì)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)涉及為商業(yè)用途準(zhǔn)備鈣鈦礦電池。早期的鈣鈦礦細(xì)胞降解太快。已經(jīng)取得了進(jìn)展，但仍有工作要做。

“這是一個(gè)真正有趣的問題，”Peshek說：“因?yàn)檫@些細(xì)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?fù)?dān)心這一點(diǎn)?！?/p>

NREL高級科學(xué)家、該項(xiàng)目的聯(lián)合顧問、鈣鈦礦技術(shù)專家約瑟夫·路德(JosephLuther)指出，在輻射測試設(shè)施中進(jìn)行的地球綁定實(shí)驗(yàn)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(chǎn)規(guī)模，它也非常便宜，并且非常適合地面光伏應(yīng)用，但在太空中它太厚了，當(dāng)輻射撞擊到表面時(shí)，它會被吸收并損壞細(xì)胞，造成問題。

輕質(zhì)鈣鈦礦太陽能電池將符合NASA正在進(jìn)行的任務(wù)，即降低將有效載荷送入軌道的價(jià)格，從今天的每磅約10,000美元到四分之一個(gè)世紀(jì)內(nèi)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(shè)計(jì)中做到這一點(diǎn)，”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(shí)再次測量。細(xì)胞和細(xì)胞的組成材料也將在飛行前后進(jìn)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(gè)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(dāng)這些東西降解時(shí)，它們會變成黃色的芥末色。所以我們希望在他們回來時(shí)能看到黑色材料。”

從鈣鈦礦在太空中度過的時(shí)間中汲取的教訓(xùn)可以幫助地球上的技術(shù)。

“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(dāng)你在地球上時(shí)，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?nèi)匀徽J(rèn)為我們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)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?！?/p>

在等待鈣鈦礦樣品歸還時(shí)，VanSant會定期收到正在進(jìn)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(jī)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(jīng)過，”范桑特說：“這些發(fā)射是一個(gè)很好的提醒，可以仰望夜空，也是一個(gè)從完全不同的角度看事物的機(jī)會?！?/p>