黄维、朱瑞、徐国宁等综述：钙钛矿太阳能电池面向空间应用的研究进展

第一作者：涂用广，吴疆，徐国宁

通讯作者：黄维，朱瑞，龚旗煌，涂用广

通讯单位：西北工业大学，北京大学

近期，由西北工业大学黄维院士、涂用广副教授与北京大学龚旗煌院士、朱瑞研究员、中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员组成的三校（院）联合研究团队，系统总结了钙钛矿太阳能电池在空间多种极端环境因素（包括电子辐射、质子辐射、紫外线辐照、伽玛射线辐射、高真空光照、高低温循环等）下的稳定性情况以及空间飞行试验任务，讨论了钙钛矿太阳能电池面向空间应用面临的挑战，同时对此方向进行了系统展望。相关成果以“Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges”为题发表在Advanced Materials（《先进材料》）上，该工作以西北工业大学为第一单位。

我国“十四五”规划纲要明确提出强化发展“空天科技”等多项空间科技前沿领域。在“空天科技”领域研究中，需要大力发展空间能源技术，以保证各种航空和航天器的平稳、持久可靠飞行。太阳能电池作为重要的供能装置是应用最为普遍的空间能源技术之一。近年来，钙钛矿太阳能电池迅速崛起，目前已获得25.5%的认证效率，不断逼近异质结硅基太阳能电池的最高认证效率（26.7%），成为最具应用潜力的可再生能源技术之一。与硅基和砷化镓太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有几点显著的优势。

第一，成本优势。采用价格低廉的钙钛矿材料作为吸光层，其制备成本显著低于晶硅和砷化镓。

第二，柔性优势。钙钛矿材料在器件中通常以厚度为亚微米级别的薄膜形式存在，适合构建柔性器件，从而可以充分利用载体的弯曲表面空间。

第三，高能质比优势。对于载荷能力有限的飞行载体，能源装置需要具有较高的能质比。钙钛矿太阳能电池自身质量较轻，能质比较高。研究表明，其具有其他种类太阳能电池所无法达到的超高能质比（>20 W/g）。

第四，抗辐射潜能。据报道，钙钛矿半导体在2.3Mrad伽玛（γ）射线连续辐射1535小时后，表现出比玻璃更优异的抗辐射性能。

基于以上优势，钙钛矿太阳能电池有望发展成为新一代空间光伏技术。

（以太阳能电池为主要能源动力的各种航空和航天器，以及空间环境中影响钙钛矿太阳能电池性能的主要因素）

人类开发了多种航空和航天飞行器，用于探索和认知宇宙空间。这些飞行器大多采用太阳能电池技术为其正常运行提供源源不断的动力。典型代表主要有太阳能飞机、平流层飞艇、国际空间站、地球同步卫星、“天问一号”火星探测器等。宇宙空间环境区别于地面环境，其具有明显的极端环境因素。以距地面35公里的空间为例，其具有以下特征：

第一，高真空。此处的大气稀薄，气压为574.59Pa（基于1976年美国标准大气数据）；

第二，强紫外太阳光照。此处水汽含量几乎为零，可吸收紫外线的臭氧含量稀少，最终导致此处太阳辐射强度高达136.7mW/cm²且具有更高强度的紫外线部分；

第三，极端温度。该空域的温度可降至-60~ -35℃，同时较强的热辐射以及较弱的热对流，会导致飞行器及其负载承受较大范围的温差；

第四，高能粒子辐射。空间还存在由宇宙射线和太阳耀斑产生的高能粒子射线（如电子、质子和伽玛射线等）。

这种极端的临近空间环境对钙钛矿太阳能电池的稳定性提出了新的挑战。面对空间中的极端环境，空间光伏技术必须具有较高的光电转换效率、较高的能质比和长期的稳定性。相比于成熟的晶硅和砷化镓太阳能电池，钙钛矿太阳能电池具有明显的优势。同时钙钛矿太阳能电池需要加速其产业化进程。

前期，三校（院）联合研究团队于2018年8月在我国内蒙古地区进行太阳能电池高空科学气球标定试验。通过将钙钛矿太阳能电池负载在高空气球上，研究器件在距地面35公里的临近空间极端环境下稳定性情况。最终获得AM0辐照下器件维持其初始效率95%以上的稳定性数据。相关成果发表在Science China-Physics, Mechanisc&Astronomy(《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版)上。

太阳能电池高空科学气球标定方法是国际通用的空间太阳能电池标定方法之一。35公里及以上的高空是标定AM0太阳能电池合适的空间，标定的光源状态已非常接近理想的AM0状态。中国科学院空天信息创新研究院是继美国航空航天局（NASA）和法国空间中心之后第三个能够独立开展35公里高空气球太阳能电池标定的机构，该机构计划后续每年进行空间太阳能电池标定试验。

（太阳能电池高空气球标定平台：图片来自中国科学院空天信息创新研究院）

三校（院）联合研究团队将继续在基础研究、工程技术等领域开展面向空间应用的钙钛矿光伏技术研究，助推新型钙钛矿光伏技术的发展、助力我国对临近空间的开发。

参考文献

1. Yongguang Tu, et al. Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges. Advanced Materials.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006545

2. Tu, Y., Xu, G., Yang, X. et al. Mixed-cation perovskite solar cells in space. Sci. China Phys. Mech. Astron. 62, 974221 (2019).

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-019-9356-1