准二维钙钛矿太阳能电池具有轻质、低成本和高比功率潜力，可用于对质量和结构尺寸有要求的太空光伏系统。实际太空应用需要考虑温度循环、高能粒子辐照，以及器件在发射前经历的温湿度暴露。美能钙钛矿MPPT最大功率点测试仪采用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。

本研究以准二维钙钛矿 MBA₂(Cs₀.₁₂MA₀.₈₈)₆Pb₇I₂₂ 为吸收层，比较刚性器件与超薄柔性器件在实验室温度变化、高能质子辐照及低地球轨道（LEO）环境中的性能。实验结果显示，两类器件在常见轨道温度范围内表现出相近的热响应；超薄柔性器件在质子辐照下保持较好的性能，但柔性器件在发射前的环境暴露后出现严重退化。刚性器件在有效在轨测量期内保持相对稳定。研究指出，柔性器件的封装和发射前环境保护是后续太空应用需要解决的关键问题。

研究背景

钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的材料、制造成本，其轻质特性也适合对载荷质量敏感的太空光伏系统。准二维钙钛矿通过引入有机间隔阳离子形成低维结构，可调节材料的光电性质，并有助于提高对环境因素的耐受能力。

太空环境中的温度变化和高能粒子会影响器件的电荷传输、复合过程及光电输出。器件在发射前的组装、储存和运输阶段也可能接触水汽与氧气，导致性能在进入轨道前已经下降。因此，仅依靠实验室中的材料稳定性或单一辐照测试，难以全面评价完整器件的太空适应性。

本研究采用刚性玻璃基器件和超薄PET基柔性器件，通过温度依赖光电测试、质子辐照及在轨测量，分析器件结构、基底特性和环境暴露对性能的影响。

实验方法

准二维钙钛矿太阳能电池的空间任务与器件设计：（A–C）卫星任务示意、任务时间线及在轨地球影像；（D）准二维钙钛矿吸收层结构及 PEDOT:PSS 的分子组成；（E–F）超薄柔性器件与刚性器件的结构及实物照片

本研究制备了以 MBA₂(Cs₀.₁₂MA₀.₈₈)₆Pb₇I₂₂ 为吸收层的准二维钙钛矿太阳能电池。刚性器件使用玻璃/ITO 基底；超薄柔性器件使用 PET 基底，并采用 PEDOT:PSS 作为透明导电电极。器件中的电荷传输层及电极结构根据基底类型进行配置。刚性器件采用玻璃封装，超薄柔性器件则使用聚氨酯树脂保护。

实验室温度测试在真空腔体内进行，温度范围为 −80 至 +80 °C，并在AM0光谱条件下测量电流密度—电压（J–V）曲线和外量子效率（EQE）。研究还通过光强依赖开路电压测试及强度调制光电压谱（IMVS），分析温度对复合和离子响应的影响。

辐照实验采用能量为 68 MeV 的质子，累计注量为 2x1012p⁺/cm²。质子束和 AM0 等效照明均从基底侧入射，以模拟太空环境下的入射方向。研究结合 SRIM 模拟，比较玻璃与 PET 基底对质子散射、能量损失的影响。

在轨实验通过卫星搭载的光伏测量载荷完成。卫星轨道高度约为 540 km，倾角约为 97°，轨道周期约为 95 min。测量系统记录器件在轨运行期间的光电参数、温度及不同照度条件下的J–V曲线。

温度对光电性能的影响

实验室条件下刚性与柔性钙钛矿太阳能电池的温度依赖性能：（A）温控真空测试装置；（B–C）−80 至 +80 °C 范围内的电流密度—电压（J–V）曲线；（D–G）开路电压、短路电流密度、填充因子及光电转换效率随温度的变化；（H–J）外量子效率（EQE）光谱及其积分电流密度

在室温AM0条件下，刚性器件的稳态光电转换效率（PCE）为 16.5%，超薄柔性器件为 16.7%。在 −80 至 +80 °C 的测试范围内，两类器件呈现相近的总体温度响应，但低温下柔性器件的短路电流密度（Jsc）和 EQE 下降更明显。

这一差异主要与电荷传输条件有关。超薄柔性器件以 PEDOT:PSS 作为透明导电电极，其电导率受温度影响较大。温度降低后，电极电导率下降，串联电阻和界面电荷提取损失增加，限制了光生电流输出。刚性器件采用 ITO 电极，低温下仍能保持较好的导电和电荷收集能力，因此 Jsc 更稳定。

两类器件的开路电压（Voc）均随温度降低而升高。低温下，带隙以上的黑体光子数量减少，器件吸收与热辐射的重叠减弱，暗饱和电流密度下降，熵驱动的复合损失受到抑制，Voc 因而提高。约 −60 至 +40 °C 范围内，Voc 的变化接近辐射极限趋势；高于 40 °C 后，非辐射电压损失增加，热激活的 Shockley–Read–Hall 及多声子复合过程更加明显。

IMVS 测量中，高频和低频响应分别对应电子过程与离子过程。随温度升高，提取的复合参数 Hrec 和 Irec 增大，电子有效寿命缩短，离子寿命也随温度升高而下降，符合热激活离子迁移的特征。这些结果表明，温度变化会同时影响电荷传输、复合和离子动力学，不同器件结构在低温下的性能差异主要体现在电荷提取环节。

高能质子辐照下的性能变化

刚性与柔性钙钛矿太阳能电池的质子辐照模拟及原位性能评估。（A）空间高能粒子累计注量与实验辐照条件；（B–C）刚性和柔性器件的质子输运模拟，包括横向散射与能量损失；（D–G）68 MeV 质子辐照过程中开路电压、短路电流密度、填充因子及光电转换效率的归一化变化

研究采用 68 MeV 质子进行辐照，累计注量为 2x1012 p⁺/cm²。该注量约为一项持续 15 周的 LEO 任务预期辐射量的 180 倍。

SRIM 模拟显示，玻璃基底造成的质子横向散射明显强于 PET 基底：玻璃结构中的横向散射超过 200 μm，PET 结构约为 10 nm。质子进入钙钛矿层时，刚性器件中的能量约为 65.917 MeV，柔性器件约为 67.997 MeV；进入薄器件堆叠层后，两类结构中的质子能量损失均约为 2 keV。

原位辐照结果显示，超薄柔性器件的 Jsc 下降至初始值约 93%，Voc 和填充因子（FF）未观察到可测量的退化，PCE 在整个测量过程中保持在辐照前数值的 92% 以上。刚性器件的 Jsc 和 PCE 下降更明显。

研究将这一差异主要归因于基底的光学变化。高能辐照会使钠钙玻璃变暗，降低可见光透过率；PET 的变暗程度较低，主要影响紫外波段。基底透光率下降会降低测得的光生电流，因此不能将刚性器件的全部 Jsc 损失归因于钙钛矿吸收层本身。研究估计，扣除基底变暗的影响后，仍有约 6%–10% 的额外 Jsc 损失与高能质子作用及环境退化有关。

低地球轨道中的器件表现

准二维钙钛矿太阳能电池的低地球轨道性能。（A）在轨光伏测量载荷及器件安装方式；（B）在轨短路电流密度与器件温度变化；（C）不同任务日测得的 J–V 曲线及地面参考器件对比；（D–G）刚性器件的开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转换效率随时间的变化；（H–J）不同光照强度下的 J–V 曲线及开路电压、短路电流密度变化

在轨测量显示，柔性器件和较厚 PET/ITO 器件首次测量时已严重退化或失效。首次测量发生在发射后约第 42 天。研究认为，这种退化主要与发射前长期暴露于环境温湿度有关：由于发射延期，密封干燥剂保护罩在起飞前约 43 天被移除，水汽和氧气可能穿过薄 PET 基底，影响 PEDOT:PSS 及其与钙钛矿层的界面。

刚性器件的在轨表现较好。其中一只器件出现间歇性分流，导致 Voc 和 FF 突然下降；相关变化更可能与外部电接触问题有关，但具体原因尚未确定。另一只性能较好的刚性器件，在约44天有效测量期内完成了1841次Voc和Jsc测量，以及583次完整J–V扫描。

在平均照度为 135 ± 4 mW/cm²、器件温度为 10 ± 7 °C 的测量条件下，刚性器件的平均 Voc 为 1.060 ± 0.021 V，Jsc 为 26.8 ± 0.7 mA/cm²，FF 为 56.5 ± 0.3%，PCE 为 11.9 ± 0.8%（n = 8）；最佳 PCE 为 13.3%。在有效测量窗口内，FF 和 PCE 保持在初始值的 80% 以上。由于在轨照度、温度和太阳入射角持续变化，现有数据不足以对所有时间段的细微退化趋势作出确定判断。

器件在约28 mW/cm²的较低照度下测得最高18.1%的 PCE。该数值对应非标准AM0照度条件，不能直接与标准 AM0 条件下的效率比较。整体在轨数据表明，表现较好的刚性器件在有效测量期内保持了相对稳定的光电响应；柔性器件则受到发射前环境暴露的明显影响。

本研究比较了准二维钙钛矿太阳能电池在实验室温度变化、高能质子辐照和低地球轨道环境中的性能。刚性器件与超薄柔性器件在常见轨道温度范围内具有相近的热响应，但低温下柔性器件更容易受到 PEDOT:PSS 电导率下降和界面电荷提取损失的影响。

在质子辐照实验中，超薄 PET 基器件保持了较好的光电性能。刚性器件的额外电流损失则部分来自玻璃基底的辐照变色，说明评价辐射耐受性时需要区分基底光学衰减与器件本体退化。在轨测量进一步显示，发射前的温湿度暴露可能显著影响柔性器件的初始状态，而性能较好的刚性器件在有效观测期内保持相对稳定。

后续研究需要改善柔性器件的封装性能和电荷传输层稳定性，减少发射前的环境暴露，并评估聚合物基底长期紫外照射后的变化。这些因素需要与辐射耐受性一并考虑，才能更准确地评价钙钛矿太阳能电池在太空环境中的实际运行能力。

美能钙钛矿MPPT最大功率点测试仪

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原文参考：Beyond Earth: Resilience of Quasi-2D Perovskite Solar Cells in Space

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