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第一作者：Ahmad R. Kirmani
通讯作者：Ahmad R. Kirmani，Joseph M. Luther
通讯单位：美国国家可再生能源实验室
DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-022-01189-1
近地空间的太阳能装机预计将在未来十年内成倍增长，从目前的几兆瓦1接近1吉瓦。随着空间互联网成为现实，诸如SpaceX的Starlink、亚马逊的Project Kuiper和英国政府的OneWeb等项目旨在向低地球轨道（LEO）发射总计约10万颗卫星。通过在高椭圆轨道上安装天基太阳能电池，从太空中利用太阳能并将其传送到地球上为电网供电的兴趣也在上升。这种对空间的快速渗透需要一种低成本、轻量级的太阳能发电技术，这种技术能够抵御电子产品在空间所面临的挑战，包括辐射、热循环、原子氧和高真空。钙钛矿半导体对陆地和空间应用都有很强吸引力。虽然地面条件要求耐用性，如潮湿和部分遮阳，但宇宙空间的应用则带来了不同的挑战：辐射、原子氧、真空和高温。本研究展示了一个氧化硅层，它能使钙钛矿光伏电池在关键的空间压力下变硬。在器件触点上蒸发的1微米厚的氧化硅层在1015 cm-2的通量下阻挡了0.05 MeV的质子，而没有损失功率转换效率，这使得器件在低地球轨道的寿命增加了20倍，在高椭圆轨道的寿命增加了30倍。氧化硅保护的Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3（MA，甲基铵；FA，甲酰胺阳离子）和CsPbI2Br电池在水和N,N-二甲基甲酰胺的浸泡下正常存在。此外，Sn-Pb和CsPbI2Br器件的耐湿性得到了提高。该器件还被发现在暴露于阿尔法辐照和原子氧时依然能够保持功率转换效率。这种屏障技术是向空间和地面应用的轻质包装设计迈出的重要一步。1、本研究首先使用SRIM/TRIM软件模拟了0.05 MeV质子与钙钛矿太阳能电池的相互作用，该软件是一个蒙特卡洛模拟，模拟了离子通过物质的过程，考虑了通过非电离核位移和电子电离的能量损失。本研究考虑了由标准电荷传输层和基于Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3（三阳离子）的钙钛矿活性层组成的n-i-p和p-i-n器件结构。图1a,b显示了100,000个质子通过n-i-p结构的发生和随后的穿越情况（质子交错），有/无1微米覆盖的SiOx的顶层。2、本研究通过热蒸发在n-i-p和p-i-n太阳能电池上沉积了1微米的SiOx，并用0.05 MeV的质子照射它们（图1c，d）。SiOx的沉积并没有对设备造成任何损害，这一点从不变的PCEs（约18.5%）中可以看出。3、质子辐照对活性表面积为0.1 cm-2的钙钛矿太阳能电池的PCE的影响显示在图1e,g中，代表性的J-V曲线显示在图1f,h。没有SiOx的器件表示为“bare”，有SiOx的器件表示为“protected”。辐照后的电池的PCE与辐照前的初始PCE之比（即PCE剩余系数）表示为r。裸露的太阳能电池在以1013cm-2的通量辐照时损失了约15%的初始PCE，1015 cm-2的质子破坏了这些设备，使效率降至零。受保护的电池对这些通量表现出显著的弹性，这与SRIM/TRIM模拟的理论见解一致。1、原子氧、α-粒子和紫外线辐射是空间环境中的主要压力源。然而，迄今为止，大部分都没有在钙钛矿太阳能电池中进行测试。本研究通过对太阳能电池进行UVO处理，模拟了原子氧和紫外线照射的影响。在操作过程中，UVO室产生波长范围为200纳米的紫外线光子，类似于低地轨道的紫外线环境。在与室中的大气分子氧相互作用时，这些光子产生原子氧，负责灰化经常用于清洁的表面有机物。图2a显示了带和不带SiOx屏障的p-i-n三阳离子太阳能电池的归一化PCE。裸露的设备（16.3％的PCE）在8分钟的UVO暴露后完全损坏，而受保护的设备即使在20分钟的暴露后仍保持其最初的PCE为17.0％。在图2a上行所示的照片中，可以看到一个有代表性的裸器件的变色。正如SEM所发现的，原子氧腐蚀了银电极。2、图2d,f分别显示了裸电池和受保护电池的金属电极区域的俯视SEM图像。裸电池（图2d）显示了明显的损伤，当对该装置的横截面进行成像时（图2e），这变得更加明显。3、受保护的器件没有发现明显的变化（图2f，g）。暴露30分钟后，观察到具有SiOx屏障的电池的PCE有轻微下降。这种性能下降可能是由于原子氧对SiOx的逐渐侵蚀造成的，在图2g中可以看到SiOx层顶部有白色的堆积。1、上述论证确定了SiOx能使钙钛矿太阳能电池对质子、α-粒子和原子氧进行硬化。本研究还探索了SiOx阻挡层是否在太空应用之外有更广泛的范围。以地面兼容性为目标，测试了SiOx保护的电池对极性溶剂的耐受性。图3显示了去离子水浸泡对p-i-n三阳离子和CsPbI2Br电池性能的影响。虽然太阳能电池板与水的直接互动并不是一个现实的场景，但这样的测试将耐湿性方面发挥到了极致。2、在这里，本研究再次发现，在去离子水浸泡一分钟后，SiOx覆盖的p-i-n三重阳离子和CsPbI2Br电池保留了其初始PCE的~90%（分别为15.0%和11.9%）。鉴于CsPbI2Br装置的内在不耐湿性，它的情况尤为突出。事实上，图3b中黑色虚线表示的初始PCE为11.7%的裸CsPbI2Br器件与水接触后完全损坏，而受保护的电池则保持了其棕色和性能。3、图3c,d的SEM图像说明了p-i-n三阳离子电池在浸水时的损坏程度。SiOx屏障阻止了电池与水的任何相互作用，使其没有被损坏（图3e,f）。1、正如SEM所证明的那样，SiOx层的显著形态均匀性也表明它有可能成为地面应用的湿气和化学屏障。为了说明这一点，本研究选择了两种对水分高度敏感的钙钛矿吸收剂化学。基于低带隙（1.25 eV）Sn-Pb吸收剂的太阳能电池通常在一个氮气手套箱内进行表征，因为将它们暴露在没有封装的环境中会导致降解。同样，基于宽带隙（1.88 eV）CsPbI2Br钙钛矿吸收体的太阳能电池对水分很敏感。虽然，这些化学制品对串联太阳能电池的设计很有希望，但它们对湿气的敏感性需要在工业上加以解决。因此，这些化学制品为氧化硅的阻隔性能提供了一个试金石。2、图4a显示了在环境中测量的Sn-Pb太阳能电池的PCEs。正如预期的那样，没有SiOx的裸电池立即退化（黑色），在四分钟内几乎失去了所有的初始PCEs。然而，SiOx覆盖的电池完全保留了它们最初的PCEs（15.6%），也就是说，在环境中是稳定的。3、SiOx同样被发现可以提高CsPbI2Br太阳能电池的环境保质期（图4c），受保护的电池在环境中100天后仍能保持其初始PCE约12.0%。裸露的电池经历了相分离，在环境中仅几天就变得透明。这些观察结果证实，SiOx层抑制了湿气的进入并延长了器件的寿命。综上所述，本研究展示了一种基于超轻金属氧化物层的低成本屏障技术，该技术可以可行地沉积在钙钛矿太阳能电池上。用1μm厚的SiOx层盖住的设备对1015cm-2的超高通量的有害质子显示出惊人的弹性，并且还赋予了对紫外线辐射、原子氧和α-辐照的容忍度。与传统的辐射屏障相比，所提出的技术将太阳能阵列的封装重量减少了99%以上，传统的辐射屏障涉及到约150微米厚的玻璃和弹性体封装物。氧化层还起到了防潮和化学屏障的作用，从而提高了电池的保质期，并使电池在极性溶剂下具有弹性，对地面应用有直接的影响。后记：钙钛矿持续火热，也连续发表多篇顶刊，相关链接如下：