Diseño de implementación de una carga útil (payload) para estudiar el comportamiento de celdas solares de perovskita (PSC) en condiciones estratosféricas

Abstract

El presente trabajo desarrolló el diseño e implementación de una carga útil (payload) la cual se expuso a condiciones estratosféricas a una altura de 36 km en New Mexico - Texas (34°46,73N; 108°9,83W). El lanzamiento se realizó en un globo estratosférico realizado por el programa de vuelo High Altitude Student Platform (HASP) que cuenta con el respaldo de NASA Balloon Program Office (BPO) y Louisiana Space Consortium (LaSPACE). Se realizó el diseño mecánico y electrónico del payload con la finalidad de estudiar la influencia en la eficiencia de las celdas solares de perovskita (PSCs, del inglés perovskite solars cells) de 1 y 2 píxeles expuestas a condiciones estratosféricas por un periodo de 10,5 h. Estas PSCs fueron fabricadas en los laboratorios del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) de España. Para esto, durante el vuelo a la estratósfera se expusieron las PSCs y además se realizó la medición de parámetros atmosféricos (temperatura, humedad, presión e irradiancia); además de la medición de la eficiencia de las PSCs, antes y después del lanzamiento cuyas mediciones se realizaron en el laboratorio del ICN2. Este trabajo de investigación contribuye a la investigación de una nueva tecnología para energizar dispositivos espaciales que, además de tener un costo mucho menor comparado con la tecnología de Si y trijuntura de In, Ga y As, tienen métodos de fabricación menos sofisticados que permitiría que los mismos dispositivos espaciales puedan fabricar las PSCs. En la medición de los parámetros atmosféricos se obtuvo una irradiancia máxima de 1238,94 W/m2; además los datos registrados coinciden con los datos teóricos calculados cuando estos no son afectados por sombras u objetos aledaños al payload. La medición de la temperatura de las PSCs se registraron valores entre -32,12 °C a 32,19 °C, registrándose los valores más bajos en la tropopausa. Asimismo, en la estratósfera se obtuvo una medición de la humedad relativa de 4,79 %. Con respecto a las PSC, se obtuvo que 10 celdas se deterioraron debido a que su encapsulamiento fue dañado antes del lanzamiento mientras que las 5 celdas restantes tuvieron una retención del 67,56% su eficiencia, para la PSC de 1 píxel (ubicada en la cara frontal del payload), retenciones del 75,91 % y 81,53 % de la eficiencia para las PSCs de 2 píxeles (ubicadas en la cara izquierda), y retenciones de 87,39 % y 79,53 % de la eficiencia para las PSCs de 2 píxeles (ubicadas en la cara derecha del payload). Por lo que se determinó que la tecnología de las PSCs posee condiciones promisorias como dispositivos energizantes a ser empleados en condiciones estratosféricas.

This work involved designing and implementing a payload exposed to stratospheric conditions at an altitude of 36 km in New Mexico - Texas (34°46,73N; 108°9,83W). The launch was performed on a stratospheric balloon by the High Altitude Student Platform (HASP) flight program supported by NASA Balloon Program Office (BPO) and Louisiana Space Consortium (LaSPACE). The mechanical and electronic design of the payload was performed to study the influence on the efficiency of 1- and 2-píxel perovskite solar cells (PSCs) exposed to stratospheric conditions for 10,5 h. These PSCs were manufactured in the Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) laboratories in Spain. To this end, the PSCs were exposed during the flight to the stratosphere, and atmospheric parameters (temperature, humidity, pressure and irradiance) were measured. The efficiency of the PSCs was also measured before and after the launch, measurements taken in the ICN2 laboratory. This research work contributes to the investigation of a new technology for powering space devices. In addition to being much cheaper than Si and In, Ga, and As trijunction technology, this technology also uses less sophisticated manufacturing methods that would allow the same space devices to manufacture PSCs Atmospheric parameters measurements yielded a maximum irradiance of 1238,94W/m2. Furthermore, the recorded data coincides with the theoretical data calculated when they are not affected by shadows or objects surrounding the payload. Temperature measurement of the PSCs range from -32,12 °C to 32,19 °C, with the lowest values in the tropopause. Likewise, a relative humidity measurement of 4,79% was obtained in the stratosphere. Regarding the PSCs, it was obtained that 10 cells deteriorated due to their encapsulation was damaged prior to launch while the remaining 5 cells retained 67,56% efficiency for the 1-píxel PSC (located on the front face of the payload), 75,91 %, 81,53 % efficiency retentions for the 2-píxel PSCs (located on the left face), and 87,39 % and 79,53%