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Atividade Financiada

Flexibilidade e Alta Eficiência com Células Solares Tandem dotadas com Gestão Fotónica para Aplicação Espacial

Flexible and High-Efficient Tandem Solar Cells endowed with Photonic Management for Space Application

Referência
2022.01610.PTDC
Data de Início do Projeto
2023-03-01
Data de Fim do Projeto
2026-08-31
Investigador Principal
Coinvestigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos de I&D em Todos os Domínios Científicos - 2022 - ICDT

Resumo

O espaço é um pilar estratégico do crescimento socioeconómico na Europa . Hoje, o Espaço significa comunicações seguras, vigilância da Terra para atingir os objetivos ambientais da UE e monitorizar os efeitos das alterações climáticas nos recursos naturais e na sua mitigação, gerindo os transportes (controlo da poluição). Mas o espaço também significa competição, para ir além das atuais fronteiras científicas. A maioria dos sistemas espaciais depende de eletricidade solar como principal fonte de energia, sendo a eficiência e fiabilidade as principais figuras de mérito para as tecnologias fotovoltaicas (FV). Daí que células solares de múltipla junção são preferenciais no setor espacial , sendo tradicionalmente baseadas em materiais III-V  empilhados suportados em substratos rígidos de Ge. Embora permitindo as maiores eficiências FV até agora (tipicamente ~30% com módulos baseados em tripla junção como GaInP/GaAs/Ge), esta abordagem usa materiais altamente caros e fabrico dificilmente escalável. No entanto, com o crescente interesse do setor privado no Espaço a relação custo-eficácia está a tornar-se outro requisito principal, sendo exigidas soluções FV mais acessíveis (mas garantindo eficiência, robustez e mínimo peso) . Além disso, há uma diversificação crescente das aplicações para as próximas etapas de exploração, como a utilização de mini-satélites ou a fixação de bases em Marte e na Lua, que aumentam a necessidade de adaptabilidade dos dispositivos, onde a flexibilidade mecânica (associada com leveza) pode desempenhar um papel fundamental facilitando a integração e reduzindo volume de armazenamento.[2] O SpaceFlex lançará uma nova tendência na tecnologia FV, dotada de alta eficiência mais flexibilidade e fabricada com materiais baratos, e irá demonstrá-la para eletrificação Espacial com razões de potência/peso e potência/custo sem precedentes ( ver objetivos na Tabela 1 ). Para tal, vamos impulsionar avanços disruptivos em células solares multi-junção de filme fino melhoradas com gestão da luz , tirando partido da I&D pioneira do CENIMAT.[3,4] O objetivo é atingir eficiência recorde (30% prevista) com dispositivos flexíveis, e demonstrar funcionamento estável sob condições espaciais de radiação e gradientes de pressão e temperatura, seguindo rigorosas normas de teste da ESA.[5] Aqui, a participação da LusoSpace, PME líder em optoeletrónica para o Espaço , é essencial para maximizar o potencial de exploração. O SpaceFlex aborda estes desafios a partir de experimentação guiada por modelação computacional e caraterização avançada ( ver estrutura do projeto na Fig.1 ). As tecnologias serão atrativas para a industria , dado que apenas são aplicados materiais abundantes e processos escaláveis. Nomeadamente, exploramos uma nova arquitetura de dupla junção (tandem, Fig.2), incorporando uma subcélula inferior de filme fino (5-10 um) de silício cristalino (c-Si) acoplada com uma subcélula superior (~1 um) de perovskite de hiato elevado. A célula inferior é crescida epitaxialmente através de PECVD a baixa temperatura, e em seguida é separada da bolacha inicial e transferida para um novo substrato (vidro ou folha metálica flexível, Fig.3), seguido da deposição da célula superior de perovskite e das estruturas fotónicas no contacto frontal que aprisionam a luz no dispositivo. Desta forma, para além de conceder flexibilidade (5 cm de raio de flexão previsto), o desenho fino permite reduzir em uma ordem de grandeza o peso das células FV suportadas em substratos de bolacha tipicamente usadas nos sistemas espaciais, possibilitando assim melhor armazenamento com semelhante potência. A aplicação de células solares de perovskite (PSC) no espaço é uma novidade particularmente impactante deste projeto, com extremo interesse como recentemente previsto pela NASA.[6] Para tal, a elevada adaptabilidade da tecnologia PSC irá permitir propriedades ótimas como subcélulas superiores em condições espaciais. Serão desenvolvidos os materiais PSC mais estáveis com bandgaps de absorsor (1.7-1.8 eV) otimizados para o tandem, tendo já demonstrado robustez compatível com o mercado.[8] Outra novidade será a integração de uma solução fotónica avançada para aumentar a densidade ótica das células de tandem finas, que permite não só melhor eficiência (através de ganhos de absorção em banda larga) com dispositivos mais finos (concedendo maior flexibilidade), mas também maior estabilidade em condições espaciais (através de proteção da luz UV) como mostrado pela primeira vez pela equipa do IR .[9,10] Para alcançar isso, o CENIMAT e a LusoSpace juntam esforços para desenvolver uma nova classe de tecnologia FV, com dispositivos mais eficientes, leves e flexíveis, tirando partido dos 30 anos de experiência do CENIMAT em células solares e fotónica (especialmente para tandems perovskite-em-Si desenvolvidos nos projetos Altaluz e FlexSolar coordenados pela equipa do IR), e a LusoSpace com 20 anos de experiência em optoelectrónica e qualificação para sistemas espaciais.

Instituições

Instituições Principais

  • Universidade Nova de Lisboa Associação para a Inovação e Desenvolvimento da FCT (NOVA.ID.FCT)

Outras Instituições

  • LUSOSPACE, PROJECTOS ENGENHARIA LDA (LPE)

Financiamento 249.999,84 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

249.999,84 €