保护太空中的钙钛矿

NREL展示了轻质氧化硅阻挡层如何硬化钙钛矿太阳能电池

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）最新发表的研究表明，超薄保护涂层足以保护钙钛矿太阳能电池免受太空的有害影响，并使其在地球上免受环境因素的影响。

NREL研究由美国国防部作战能源能力改善基金（OECIF）资助，为空军研究实验室（AFRL）进行，旨在开发低成本创新能源，为全球武装部队提供动力。

这项研究是确定钙钛矿在太空应用中的有效性的最新努力，在太空中，钙钛矿将暴露于质子、α粒子、原子氧和其他压力源中。

与地球上一样，钙钛矿太阳能电池需要具有合适的耐久性。虽然地球上最大的挑战与天气有关，但在太空中，钙钛矿必须解决来自辐射轰击和极端温度波动的问题。钙钛矿显示出比许多其他太阳能电池更耐辐射的迹象，但仍有大量测试有待进行。

去年，研究人员进行了模拟，以证明太空辐射对钙钛矿的影响。他们确定下一代技术将在太空中工作，但指出需要以某种方式封装电池以提供额外的保护。

在随后的研究中，《自然能源》（Nature Energy）最新论文的主要作者Ahmad Kirmani表示，模拟表明，微米厚的氧化硅层将保持钙钛矿太阳能电池在太空中的效率并延长其寿命。

Kirmani表示，氧化硅层可以将用于其他太阳能电池的传统辐射屏障的重量减少99%以上，这是为钙钛矿设计轻质低成本封装的第一步。上图显示了剥离后的氧化硅轻质阻挡层，露出了下面受保护的钙钛矿。

高能质子穿过钙钛矿太阳能电池，不会造成太大伤害。然而，低能质子在空间中更为丰富，通过将原子敲出原位并导致效率水平稳步下降，对钙钛矿电池造成更大的破坏。低能质子更容易与物质相互作用，氧化硅层的加入保护了钙钛矿免受低能质子的破坏。

Kirmani说：“我们认为氧化硅不可能对高能质子和阿尔法粒子等完全穿透的长程粒子提供保护。然而，氧化物层也成为一个令人惊讶的良好屏障。”

这一结果在“陆地和空间钙钛矿光伏的金属氧化物阻挡层”一文中有详细介绍。

研究人员发现，暴露在低能量质子流中，未受保护的钙钛矿太阳能电池仅损失了最初效率的15%左右。更大浓度的颗粒破坏了电池，而受保护的钙钛矿显示了科学家们所说的“非凡的韧性”。有了简单的屏障，电池没有受到损伤。

除了使电池在空间中更具弹性外，研究人员还测试了屏障如何在更传统的应用中提供益处。然后，他们将钙钛矿太阳能电池暴露在不受控制的湿度和温度环境中几天，以模拟储存条件。受保护的电池保持了最初19%的效率，而未受保护的电池表现出明显的降解，从19.4%降至10.8%。当其他通常对水分更敏感的钙钛矿组合物暴露于水时，氧化物层也提供了保护。

此外，将钙钛矿太阳能电池置于测试室中，用类似于低地球轨道环境的紫外线光子轰击它们。光子与氧相互作用产生原子氧。八分钟后，未受保护的电池被摧毁。受保护的电池在20分钟后保持其初始效率，30分钟后仅略有下降。

模拟和实验表明，通过减少辐射造成的损害，用于地球轨道和深空的受保护太阳能电池的寿命将从几个月增加到几年。

Kirmani说：“到目前为止，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和运行稳定性一直是关注的两个主要领域。我们已经取得了很多进展，我认为我们已经走到了一个非常接近工业化所需目标的地步。然而，要真正实现这一市场进入，封装是下一个目标。”

由于钙钛矿太阳能电池可以沉积在柔性基板上，这项新兴技术与氧化硅保护层相结合，可用于各种地面应用，例如为无人机供电。

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