效率28.5%只是起点？ 23 W/g全钙钛矿电池正瞄准太空市场

传统空间太阳能电池（如硅和III-V族多结电池）存在厚度与重量较大、比功率（W/g）相对较低、制造成本高等问题，难以满足大型低轨道（LEO）卫星群的大规模部署需求。

更为突出的是，在真实LEO环境中，电池需承受无大气衰减的AM0全光谱紫外线热损耗、每90分钟一次-120°C至120°C的极端热循环应力、高能质子与电子辐照导致的非电离能量损失（NIEL）与晶格位移损伤，以及原子氧（Atomic Oxygen）对有机材料与金属电极的侵蚀，这些因素均会导致电池组件出现不可逆的缺陷累积与开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）的衰减。

针对上述空间光伏的问题，相关研究团队全面探讨了采用双端（2T）全钙钛矿叠层太阳能电池（All-PTSCs）替代传统空间电池的技术路径。

研究汇总了针对空间环境的多项解决方案：

在光谱管理方面，引入能将高能紫外光转换为可见光的降频转换涂层以提升AM0条件下的光子利用率；在辐照防护方面，采用无机电荷传输层并结合热蒸镀的1微米厚SiOx封装技术，以阻隔高能质子与原子氧的穿透；在器件结构方面，通过A位阳离子工程（如引入DMA）与钝化剂抑制宽能隙（WBG）钙钛矿的卤素相分离，并利用两性离子抗氧化剂（如FSA）防止窄能隙（NBG）锡铅混合钙钛矿的Sn2+氧化，从而全面增强器件在极端热循环与辐射下的长期稳定性。

• 辐照自愈机制：研究证实了钙钛矿晶格在承受高达10^15 p/cm2的质子通量后，可通过极低的离子迁移能垒进行离子重排，消除位移损伤并保持较高的效率保留率（Fig. 5）。

• SiOx封装效能：1微米厚的SiOx封装层能有效阻挡50 keV质子与原子氧侵蚀，预期可将低轨道运行寿命从0.3年延长至6年（Fig. 8）。

• 窄能隙子电池突破：通过导入抗氧化剂与3D/3D异质结界面工程，双端全钙钛矿叠层电池在地面AM1.5G测试中已获得28.5%的效率水平，在AM0光谱下具有进一步优化的空间（Table 4）。

此文由韩国成均馆大学与韩国化学研究院的研究团队合作完成。通讯作者为Hyun Suk Jung与Gill Sang Han，研究成果发表于**《Advanced Energy Materials》**期刊。

AM0光谱降频转换与光电性能量测

针对AM0空间光谱中含有大量高能紫外线（200-300 nm）易导致寄生吸收与热损耗的问题，研究探讨了降频转换（Down-conversion）技术的应用。

通过在器件表面涂覆含有Au纳米颗粒的Y2O3:Eu3+单分子层，可将不能被有效利用的紫外光转换为可见光。

在AM0条件下的光电响应量测中，这项技术使额外的光子能被钙钛矿吸收层利用，短路电流密度（Jsc）从20.7 mA/cm2增加至21.5 mA/cm2（Fig. 4）。

这项表征结果表明，针对AM0光谱特性进行光谱管理是提升空间光伏器件输出功率的重要途径。

高能质子辐照损伤与传输层退化分析

为精确解析质子辐照导致器件PCE衰退的物理机制，研究利用SRIM软件模拟非电离能量损失（NIEL），并结合拉曼光谱（Raman）与傅立叶变换红外光谱（FT-IR）对各功能层进行深度分析。

量测结果显示，钙钛矿吸收层本身几乎未见降解，但常用的有机空穴传输层Spiro-OMeTAD在承受50 keV、10^15 p/cm2的质子辐照后，内部出现约7.6%的空缺率（Fig. 6）。

拉曼光谱与FT-IR进一步证实其内部的C=C双键与C-H键发生了化学键断裂与脱掺杂现象。此外，全钙钛矿叠层电池中使用的C60电子传输层因辐照会发生聚合反应，而PEDOT:PSS则会产生过度掺杂，导致上下子电池的电荷提取能力失衡。这些表征明确指出有机传输层与重组层的材料稳定性是空间光伏器件辐照退化的主要原因。

极端热循环下的原位晶体结构应变分析

为阐明LEO轨道极限温差对钙钛矿晶体结构的影响机制，研究通过原位掠入射广角X射线散射（in situ GIWAXS）量测器件在-160°C至150°C热循环过程中的相变与晶格应变。

散射向量（q）的动态追踪结果显示，当温度降至约-50°C时，钙钛矿会从室温的立方相（α相）转变为四方相（β相），同时伴随面外与面内散射向量的偏移，低温下PCE出现约6.7%的衰减（Fig. 9）。

但当温度回升至室温时，面外的结构变形能够完全恢复，面内变形仅保留极小的滞后现象。

这项表征证实了钙钛矿薄膜在经历极端空间热应力时具有良好的相变可逆性，结构保持完整。

窄能隙钙钛矿的抗氧化与界面工程表征

在双端全钙钛矿叠层电池中，窄能隙（NBG）锡铅混合钙钛矿容易发生Sn2+氧化为Sn4+的问题，导致背景载子浓度上升与Voc损失。

为解析添加两性离子抗氧化剂（如FSA）与界面钝化分子的效果，研究进行了瞬态吸收光谱（TA）、时间分辨光致发光（TRPL）与准费米能级分裂（QFLS）量测。

结果显示，导入抗氧化剂能有效抑制Sn缺陷，使载子生命周期从3 ns延长至43 ns，载子扩散长度提升至接近3微米（Fig. 19）。

此外，通过在界面处形成3D/3D双层异质结（PHJ），能建立Type-II能带排列并扩大耗尽区，进一步抑制了界面的非辐射复合（Fig. 20）。这些表征确认了抑制Sn氧化与优化能带对齐对实现高效且稳定叠层电池的重要意义。

此文总结了全钙钛矿叠层太阳能电池在应对空间LEO环境严苛条件时的技术进展。凭借较高的比功率、良好的抗辐照特性以及通过封装与界面工程改善的抗氧化与热稳定性，钙钛矿叠层电池在空间应用方面展现了一定的技术潜力。

然而，目前针对钙钛矿的空间测试多依赖模拟环境，且现有的空间光伏评估标准（如AIAA-S111）主要是为传统厚膜电池所设计，不完全适用于薄膜钙钛矿。

未来的研究需致力于建立适用的可靠性测试规范，并克服柔性聚合物基板在激光划线模块化过程中的损伤问题，以推进其在实际空间任务中的应用。