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面向太空光伏的AM0效率达27.49%的抗辐射宽带隙钙钛矿/硅叠层电池
日期:2026-08-05浏览量:5
低轨卫星星座正在快速铺开,把太空光伏的门槛抬到了高效率、低成本、长寿命这三道硬杠上。III-V族电池性能好,可造价太高;硅电池便宜,但比功率和抗辐照都偏弱;单结钙钛矿在AM0下的效率又普遍上不去。钙钛矿/硅叠层原本被寄望于打破这个效率天花板,可单片集成有个绕不开的问题:硅底电池一旦被辐照打伤,整个叠层跟着掉效率,而它能不能扛,很大程度取决于用p型还是n型、以及硅到底做多厚,常规n型硅在空间辐照下衰减得相当厉害。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+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。
本研究开发了一种抗辐射单片叠层结构,将带隙为1.72 eV的宽带隙钙钛矿顶电池与100 μm厚的p型硅异质结底电池相结合,利用p型硅自身优异的抗辐射特性缓解底电池退化问题;同时引入离子液体添加剂[Bcmim]Cl优化钙钛矿薄膜质量,抑制相分离和非辐射复合。该设计在实现AM0光谱下良好电流匹配的同时,从器件层面系统提升了叠层电池的空间环境耐受性。
实验方法与器件制备
顶电池按p-i-n结构(ITO/SAM/钙钛矿/C60/BCP/Ag)制备,前驱体是Cs₀.₂₂FA₀.₇₈Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃,加了[Bcmim]Cl后旋涂成膜。底电池做在100μm厚的p型单晶硅上,织构化绒面,带非晶硅/纳米晶硅钝化层和IWO透明电极。单片叠层是在p-Si上一步步叠出来的:先沉积10 nm IWO复合界面,再上钙钛矿顶电池、C60、SnOx、ITO、银栅线,最后蒸一层MgF₂。
辐照实验选了1 MeV电子和150 keV质子,注量按梯度设置,再拿CASINO、SRIM去模拟能量沉积和损伤分布。薄膜靠SEM、GIWAXS、AFM、KPFM、SCLC、PL、QFLS一组手段来表征;AM0性能送第三方在1353 W/m²下认证,J-V在AM1.5G(1000 W/m²)和AM0(1353 W/m²)下都做了双向扫描。近空间验证走的是高空气球路线:把12.56 cm²的封装叠层用盖玻片/空间级硅橡胶/SiOx层压结构装进探空载荷,在真实AM0和低压下做在飞I-V扫描。
叠层器件的电子辐照效应与带隙优化
不同顶电池带隙单片钙钛矿/硅叠层的电子抗辐照能力
先看1 MeV电子辐照打出了什么效果。模拟下来,大部分能量都沉积在硅底电池里。实测也印证了这点:n型硅电池在2×10¹⁴ e⁻/cm²注量下效率掉了97.58%,几乎废掉;p型只掉31.8%。这个差距把p型硅更扛辐照的特点摆得很清楚。再看EQE光谱,辐照后硅电池长波响应衰减,根子是体内缺陷变多了。
把顶电池带隙从常用的1.68 eV提到1.72 eV,思路是:AM0下硅底电池被辐照打衰减之后,用1.72 eV顶电池去配它更顺,电流更平衡。结果也撑得住这个说法:1×10¹⁴ e⁻/cm²电子辐照后,1.72 eV器件还留着80%的初始效率,1.68 eV的只剩73%。原因其实很直接:1.72 eV顶电池本身电流就低,等硅底电池电流一掉,两边反而对得上了。
宽带隙钙钛矿的稳定性工程
含与不含[Bcmim]Cl添加剂的1.72电子伏宽带隙钙钛矿薄膜表征
宽带隙钙钛矿(>1.70 eV)存在相分离和非辐射复合问题。研究引入[Bcmim]Cl添加剂来解决。表征结果显示,添加剂增大了晶粒尺寸,提高了结晶取向性,降低了薄膜表面粗糙度。SCLC测试表明电子和空穴陷阱密度降低。KPFM显示钙钛矿表面费米能级上移,改善了与电子传输层的能级匹配。PL测试证明,在低温、连续光照和高温光照联合老化条件下,添加剂处理的薄膜均表现出更强的稳定性,抑制了卤化物相分离和缺陷形成。
单结与叠层器件性能
经[Bcmim]Cl添加剂提升的光伏性能与稳定性
采用优化后的1.72 eV钙钛矿制备的单结电池,效率从23.23%提升至24.00%(认证23.58%)。目标器件的迟滞、理想因子均显著降低,QFLS提升,非辐射复合被有效抑制。在85°C高温光照和-90°C低温测试中,目标器件均表现出远优于对照器件的稳定性。
宽带隙钙钛矿/p-Si叠层的器件性能
在150 keV质子辐照实验中,目标器件在低注量下表现出明显的自修复效应,5天暗态存储后效率恢复,且优于对照器件。而单结硅器件在质子辐照后性能大幅衰退且无恢复。
做好的叠层电池,小面积(0.95 cm²)32.07%、大面积(12.56 cm²)30.58%,都是在AM1.5G下。大面积那片送去认证,AM0下27.49%,是目前钙钛矿/硅叠层在AM0上的最高认证纪录。EQE一算,AM0下顶底电池电流对得很齐。
环境适应性这块,热冲击循环(−90到90°C)跑完,效率还在96.8%;150 keV质子辐照后留93%;湿热老化550小时,目标器件还守着约95%的初始效率。
近空间飞行验证
用于宽带隙钙钛矿/p-Si叠层原位监测的近空间高空气球平台
真要验近空间环境里的表现,团队把封装好的器件挂上高空气球,送到了约29.7公里高。飞行中VOC、ISC基本稳住,只随光照角度轻微晃。28.3到29.7公里那段平飞最稳,器件在好几段数据里I-V都能重复出来,最大输出功率387.4 mW。整趟飞下来没看到性能往下掉,也没曲线变形,封装和器件结构在真实近空间里是经得起的。
这项研究以带隙调谐、添加剂稳定和抗辐照硅底电池的组合,做出耐辐照单片宽带隙钙钛矿/p-Si叠层。1.72电子伏顶电池改善AM0电流匹配,[Bcmim]Cl钝化陷阱、抑制相分离并增强热光稳定,p型薄硅底电池扛住电子和质子损伤。器件AM0认证27.49%,1兆电子伏电子辐照保持近80%、150千电子伏质子保持93%,近空间飞行稳定输出387.4毫瓦。它同时回应空间叠层三大挑战:AM0光谱失配、宽带隙材料环境不稳定、辐照退化,为轨道平台、卫星阵列和行星表面任务提供可放大、耐用的光伏路线。
联系电话:400 008 6690
钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源,并在上一代基础上完成全面进阶:光谱范围拓展至300~1700 nm(AM0)、光谱等级达到AAA(AM0)、支持 24 通道独立可调,为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池(2T/3T/4T)的研究提供了强有力的支持。
▶ 光源等级:AAA(AM0),光谱范围 300~1700 nm,适用于太空光伏测试
▶ 多波段独立可控:24 通道可调(AM0),精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙
▶ 大样品夹具:支持 210×105 mm 叠层电池,夹具采用正背面金线挤压引出电极
▶ 环境可控:支持 15℃~100℃ 半导体控温,同时可在氮气环境(无水无氧)下测试
美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具,更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。
原文参考:Radiation-resilient monolithic wide-bandgap perovskite/p-type heterojunction silicon tandem solar cells for space photovoltaics
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