精读整理丨钙钛矿在太空光伏应用的研究进展（第一期）

本文系统综述了金属卤化物钙钛矿（MHPs）在太空光伏应用中的潜力与挑战。钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其轻质、柔性、低成本溶液加工和高效率（>25%）等优势，被视为太空能源系统的理想候选。然而，太空极端环境（如高能辐射、温度波动、真空和原子氧）易导致器件性能退化，其中辐射损伤（质子、电子、中子及γ射线）是最主要威胁。本篇综述对比研究了钙钛矿组件在太空环境下的损伤机制，并在此结果上提出了相关器件结构优化策略。同时，作者指出具有优异抗辐射性能的CIGS组件能够与钙钛矿组成叠层电池，能够兼具高辐射耐受性（85%效率保持率）与轻量化（4W/g），是当前最有潜力的太空应用方案。目前而言，钙钛矿技术尚能完全替代传统Ⅲ-Ⅴ族多结电池，但其在低成本、轻量化航天器中极具竞争力，未来需结合二维材料提升稳定性，完善相关的太空测试标准。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为新型光伏技术，凭借高效、低成本、轻量化、柔性等优势，在地面光伏领域已展现巨大潜力。其晶体结构通式为ABX3，通过化学组分调控可灵活调节带隙，适配单结或多结串联结构。

在太空应用中，传统光伏技术（如硅基、III-V族多结电池）存在重量大、成本高、抗辐射性有限等问题。例如，国际空间站的硅基太阳能电池阵虽能输出 120kW功率，但单位重量功率仅0.38W/g，且在电子辐射（1MeV）下效率衰减明显（初期PCE 16.9%→末期12.5%）。相比之下，钙钛矿太阳能电池的单位重量功率可达23W/g，且柔性特性适合制备 “可展开式太阳能阵列”，大幅降低发射成本。

然而，太空环境的高能辐射、极端温度、高真空等因素对钙钛矿材料的稳定性构成严峻挑战。本文系统分析了钙钛矿在太空环境中的性能表现及优化策略。

航天器所处的太空环境极为恶劣，主要面临七大挑战，其中对光伏材料影响最大的包括：

1. 高能辐射

太阳风（质子、电子、氦核）、宇宙射线、范艾伦辐射带（内带捕获高能质子，外带捕获电子）。

影响：导致材料晶格缺陷、原子位移，引发性能衰减。低地球轨道（160-2000km）中，电子（1MeV）和质子（100keV）通量分别可达6×10³/cm²s和10⁴/cm²s。

2. 极端温度波动

温度范围从-150°C到+180°C，昼夜交替形成剧烈热循环，导致材料热胀冷缩、相变甚至分解。

3. 高真空与原子氧

高真空引发材料放气、冷焊等现象；200-800km高度的原子氧（占高层大气 80%）可腐蚀材料表面，破坏化学键。

4. 太空碎片

地球轨道存在超过1.3亿块太空碎片，碰撞可能导致航天器损坏。

钙钛矿的抗辐射性能是其太空应用的核心考量，研究其相关的损伤机制有助于寻求到相关的优化策略：

1. 辐射损伤机制

太空辐射包括质子、电子、中子、γ射线等，对钙钛矿的损伤机制如下：质子与电子（直接电离辐射）：高能粒子撞击导致晶格原子位移，形成空位、间隙等缺陷，引发电荷复合加剧。例如，1MeV电子辐射剂量达1×1015粒子/cm²时，MA0.7FA0.3PbI3基器件会分解为PbI2（光惰性相），导致其PCE从20.6%骤降至3.4%（图6a）。

图6

中子与γ射线（间接电离辐射）：中子通过核反应产生原子反冲，形成不可逆缺陷；γ射线则断裂化学键（如C-H、N-H键），但部分钙钛矿（如MAPbI3）可通过H+离子钝化缺陷实现自我修复（图11e：MAPbI3在γ射线照射下的自我修复机制，I离子重新结合形成完整晶格）。

图11

2. 热波动与真空效应

除了辐射损伤之外，热波动与真空效应也是影响组件性能和寿命的重要因素。

温度循环：太空温度范围为-150~+180℃，钙钛矿可能发生相变（如MAPbI3在-113℃以下从四方相转为正交相），导致载流子扩散长度下降（图13b：MAPbI3的载流子扩散长度随温度变化，低温下仍保持>1μm，满足电荷提取需求）。

图13

高真空：引发材料脱气（如释放CH3NH2、HI），需通过封装技术（如氟聚合物涂层）抑制挥发。

为满足太空应用需求，钙钛矿器件在基材、结构（包括叠层）和封装技术以及材料上需特殊优化：

1. 基材与封装

基板：石英基板替代玻璃，减少辐射致暗（透光率损失从30%降至5%）；柔性PET基板适合可展开阵列，加工温度需< 250℃。

封装：采用 “石墨烯/金属” 复合层，阻挡原子氧侵蚀（200~800km高度原子氧占比80%），并通过ASTM E1559脱气测试（挥发物< 0.1%）。

2. 串联结构设计

钙钛矿/CIGS串联：结合CIGS的高辐射抗性，68 MeV质子照射后PCE保留 85%（图8a），单位重量功率达4W/g（远超III-V族电池的0.4W/g）。

全钙钛矿串联：太空环境下其抗辐射性能优于III-V族多结电池，10¹²质子/cm²剂量下效率衰减仅10%。

图8

3. 材料

全无机钙钛矿，混合卤素钙钛矿组件：混合卤素钙钛矿组件在辐射环境下会发生的分解是可逆反应，同时能够提升晶体的一致性，可以有效提升组件性能。全无机钙钛矿组件在4K温度下性能无明显变化（图14e）。

图14

1. 研究结论

钙钛矿太阳能电池在太空应用中展现出高功率密度、抗辐射潜力，但仍面临三大挑战：

长期稳定性：极端温度与辐射协同作用下的寿命需提升至10年以上；

工艺标准化：需建立适配钙钛矿的太空测试标准（如低能质子照射评估）；

可持续性：铅基材料的毒性需通过无铅化（如锡基、锗基）解决。

2. 未来方向

材料创新：开发全无机钙钛矿（如CsPbI3）减少有机成分挥发；

结构优化：集成2D材料（如石墨烯）增强界面稳定性；

应用拓展：针对月球、火星等特定环境（如低光照、低温）定制器件参数。

钙钛矿太阳能电池为太空光伏提供了轻量化、低成本的解决方案，其抗辐射性能与串联结构设计使其有望成为下一代太空能源技术。随着材料稳定性与工艺的突破，钙钛矿将为深空探测、地外基地建设提供关键能源支撑。