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面向太空光伏的有机及钙钛矿电池:OSCAR平流层任务首次原位验证
日期:2026-04-01浏览量:5
航天领域的太阳能供电近六十年来始终依赖无机光伏,从单晶硅演进到III-V族三结叠层电池。以有机太阳电池(OSC)和钙钛矿太阳电池(PSC)为代表的有机基光伏(HOPV)技术,因其超高比功率和可调吸收窗口等特性,理论上具备成为航天应用颠覆性技术的条件。
本文报道了平流层飞行任务OSCAR,首次在地球大气外真实环境中完成了有机基太阳电池的原位测试,为有机基光伏进入太空开辟了一条新路径。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源,可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围,进行长期的稳定性能测试。
为什么看好有机基光伏的航天前景
太阳电池安装结构以及飞行高度示意图
航天器的供电成本,很大程度上取决于有效载荷质量:送入轨道的东西越重,费用越高。这一逻辑直接决定了"比功率"(W/kg)是评估太空光伏技术的核心指标。
在这个指标上,有机和钙钛矿太阳电池的表现相当突出。钙钛矿太阳电池目前已实现23 kW/kg,有机太阳电池也达到10 kW/kg,前者比部分新型航天任务的需求高出20倍以上。这背后的原理并不复杂:HOPV光活性层吸光系数高,几百纳米的薄膜就能完成充分的光吸收,整个器件的厚度比无机薄膜光伏低一到两个数量级;衬底和封装采用微米级柔性塑料薄膜,质量极轻。
除了轻薄,这类器件还有几个特点在航天应用中颇具吸引力:
与低温印刷工艺的兼容性使其可以卷轴形式运输,甚至理论上可以在轨道或异星表面就地制备;
现有太空太阳电池阵列为节省体积需折叠成折纸状,铰链和结构件占据大部分质量,而可印刷的薄膜方案从根本上绕开了这个问题;
轨道上每天都面临网球大小的碎片以约10 km/s高速飞过,印刷工艺意味着面板损坏后可以更换;
通过调节有机或钙钛矿吸收层的化学组成可以定制能带隙,与不同材料组合构建叠层器件,进一步提升光子收集效率。
然而,制约这些器件走向空间应用的主要瓶颈是可靠性。空间环境极其恶劣:高能带电粒子辐射(质子、电子)、剧烈的温度循环(如国际空间站轨道上每45分钟经历173 K到373 K的温差)、真空、等离子体等,都对太阳电池的稳定性提出严峻挑战。目前地面常用的“屋顶”老化测试标准(ISOS)并不涵盖这些空间特有的应力因素。已有少数研究报道了质子辐照对有机和钙钛矿器件的影响,但温度循环、真空、等离子体等条件下的退化数据仍然缺乏。
OSCAR任务:把太阳电池送上平流层
OSCAR(基于碳材料的光学传感器)任务就是要正面回应上面那个问题:这些电池在真实的近太空环境里到底怎么样?
OSCAR(基于碳材料的光学传感器)任务于2016年10月在瑞典Esrange航天中心发射,将一个35000立方米的平流层气球载升至32 km高度(约为商业航空高度的三倍),在平流层漂浮超过三小时。该任务搭载了256个不同类型的太阳电池,包括:
基于小分子的体异质结电池(F4-ZnPc:C₆₀、DCV5T:C₆₀),采用蒸镀法制备;
基于聚合物的体异质结电池(PBDTTPD:PC₇₁BM、PCPDTQx(2F):PC₇₁BM),采用旋涂法制备;
卷对卷印刷的全柔性有机太阳能组件;
旋涂法制备的甲基铵碘化铅钙钛矿(MAPbI₃)电池。
这些器件分别由不同研究机构提供。实验通过自制的测量单元,在飞行期间每20秒采集一次电流-电压特性,追踪最大功率点等性能指标随时间和温度的变化。
在32 km高度,大气对太阳光谱的衰减仅为海平面的1.5%,器件接收到的总辐照度约1349 W/m²,接近太阳常数(1366.1 W/m²),因此电磁辐射环境与地球外层空间相近。但由于地球磁场的屏蔽,平流层高度上几乎不存在高能带电粒子辐射。温度方面,飞行初期经过约10 km高度的对流层顶(约220 K),随后回升至260–290 K,并在漂浮阶段保持这一温度范围。压力仍高于几个毫巴,仅为温和真空。
实验结果
飞行前后的效率变化
由于发射现场无太阳模拟器,无法在飞行前后立即测量标准AM1.5G下的效率。对比制备时和飞行数周后回测的数据,钙钛矿电池的效率下降最明显,主要体现在填充因子的降低。聚合物电池PBDTTPD:PC₇₁BM的性能衰减主要归因于封装缺陷,而非光稳定性问题。柔性印刷组件性能下降可能与运输和安装过程中的机械弯曲有关。
飞行过程中的性能演变
典型钙钛矿和有机器件在不同飞行时刻的电流-电压曲线
在漂浮阶段末期,两者的最大功率点均较高,表明飞行期间未发生显著退化。飞行初期,由于温度较低,填充因子和短路电流较低,这是因为有机半导体和钙钛矿中的电荷传输在低温下受阻。对于钙钛矿,低温还会引起从立方相到四方相的相变,降低性能;此外,空穴传输层迁移率下降和界面复合增加也是可能原因。
器件存活率
起飞后不久、漂浮开始和漂浮结束时各类型器件的工作比例
全有机太阳电池(小分子和聚合物)在飞行中保持相对稳定,工作比例有时甚至略有增加,可能源于机械接触改善或测量装置瞬时波动。
封装失效与钙钛矿退化
上图:封装保持封闭(左)与飞行中封装失效(右)的钙钛矿器件降解的照片证据。下图:透过玻璃衬底看到的3 cm × 3 cm衬底布局
MAPbI₃、PBDTTPD:PC₇₁BM和PCPDTQx(2F):PC₇₁BM的封装效果较差。由于样品需提前一个月交付,这些器件在发射前已出现初期退化。在飞行中,两个钙钛矿衬底的封装完全打开,所有钙钛矿薄膜都出现了肉眼可见的黄色气泡,表明活性层已不再是钙钛矿相。
(a)封装在飞行中失效的钙钛矿器件中未损伤区域的TOF-SIMS各特征离子负极性深度剖面(b)SEM可见微突起内部区域的TOF-SIMS深度剖面(c)电流图显示微突起区域内导电性明显降低,中间为覆盖微突起及周围完好薄膜区域的大范围电流扫描图
扫描电子显微镜观察到薄膜表面遍布直径数十微米的突起。飞行后对失效区域的TOF-SIMS深度剖析显示,各层之间严重混合,空穴传输层向上和向下扩散,钙钛矿和电子传输层则向衬底方向扩散,界面模糊,导电原子力显微镜也证实突起区域电导率显著降低。
飞行期间DCV5T:C₆₀器件平均最大功率点的演变
相比之下,封装良好的全有机器件(如DCV5T:C₆₀)在漂浮阶段因温度升高,最大功率点持续上升,表现出良好的稳定性。
OSCAR任务首次在真实近空间环境中验证了有机和钙钛矿太阳电池的原位运行。一批HOPV器件成功经受住了三小时平流层飞行,表明这些技术原则上可以成为空间太阳能收集的有效补充。然而,本次实验尚不能证明它们能够在更严酷的环境(如月球表面或长期轨道运行)中稳定工作。样品数量有限、交付时间紧张导致无法对新鲜、老化和对照样品进行系统对比,也未能实现飞行前后立即在标准光照下测量。尽管如此,飞行中最大功率点的稳定表现强烈支持未来开展针对空间应力因素(极端温度循环、高能带电粒子、机械撞击、极低压力)的室内系统研究。由于有机半导体的电荷输运对温度敏感,极端温度可能是最具挑战性的因素。钙钛矿在特定温度下的相变会显著改变光电性能,因此需要针对预期工作温度区间仔细分析其相稳定性。通过混合阳离子或混合阴离子配方可以部分稳定钙钛矿相,但仍需深入研究。总体而言,有机和钙钛矿太阳电池走向空间应用的道路漫长而充满未知,但也为未来探索留下了广阔空间。
联系电话:400-0086-690
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源,以其先进的技术和多功能设计,为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。
Ø 3A+光源,光源寿命10000h+,真实还原各场景实际光照条件
Ø 可选配恒温恒湿箱,满足IS0S标准
Ø 多型号电子负载可选,多通道独立运行
Ø 不同波段光谱输出可调:350-400 nm/400-750 nm/750-1150 nm均独立可控
美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结,叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响,其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点,能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量,还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。
原文参考:Organic and perovskite solar cells for space applications
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