钙钛矿太阳能电池幸存航天级温度极值

太阳能上太空的问题

低地球轨道上的太阳能电池板经历了地面设施从未遇到过的事情：剧烈的温度变化，每90分钟从直射阳光的炽热到地球阴影中的深冷循环一次。温度可能在-80°C至+80°C之间快速波动，产生的机械应力会比地面上任何东西更快地降解常规太阳能电池材料。

对于钙钛矿太阳能电池——一类因效率高和制造成本低而吸引了巨大研究兴趣的光伏材料——这种热不稳定性一直是一个严重障碍。现在，德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的研究人员找到了解决这个问题的方法，开发了一种钙钛矿太阳能电池，不仅能在模拟太空条件下存活，而且能以超过26%的电力转换效率工作。

晶界：薄弱环节

理解这一突破需要理解钙钛矿太阳能电池在热应力下在哪里失效。这些电池中的钙钛矿层由微小的晶粒组成，这些晶粒之间的边界在机械上很脆弱。当电池加热和冷却时，钙钛矿材料和下面的玻璃衬底以不同的速率膨胀和收缩。这种失配会产生应力，集中在这些晶界处以及钙钛矿膜与下面玻璃之间的界面处。

随着时间的推移，反复的热循环导致微裂纹扩展、缺陷累积和性能下降。这种降解机制是众所周知的，但解决它已被证明很困难，因为改善机械稳定性的修复通常会损害电气性能。

LMU团队同时攻击了两个易损位置。在膜形成过程中，他们加入了α-硫辛酸，这是一种在膜形成时通过晶界聚合的化合物，本质上用灵活的分子支架将晶体网络缝合在一起。这降低了晶界处的缺陷密度，同时保持了钙钛矿材料的电气性能。

将膜锚定到衬底

第二项干预处理了钙钛矿层与玻璃衬底之间的界面。研究人员使用了一种基于硫吸液剂的分子衍生物，将钙钛矿膜化学锚定到衬底表面，创造了他们所说的固定网，允许各层在热膨胀和收缩期间作为一个单元一起移动，而不是分离。

总之，这两项修改在热应力造成最大损害的位置创造了增强结构。在测试中，电池经受-80°C至+80°C之间的16个极端热循环——这些条件被选中是为了模拟低地球轨道卫星的热环境。

结果令人印象深刻。加固的电池在16循环测试后保留了约84%的初始效率。未修改的参考电池在相同协议下遭受了实质上更大的损失。加固电池的电力转换效率达到26%——大约比参考电池高3个百分点，在竞争激烈的太阳能电池开发领域是一个显著的优势。

为什么这对太空和地球都很重要

太空应用很明显：能够经受轨道热循环的轻质、高效率钙钛矿太阳能电池将改变卫星电力系统。目前合格的空间太阳能电池主要是多结砷化镓设计，效率极高但制造成本高。钙钛矿电池由地球上丰富的材料使用相对低成本的工艺制造。如果能在太空条件下证明其可靠性，它们可以大幅降低卫星和轨道基础设施的太阳能成本。

影响并不止于轨道。太空应用通常是材料和工程方法的测试床，最终会进入陆地产品。为在真空中承受160度温度波动而设计的钙钛矿电池几乎肯定能处理明尼苏达州屋顶太阳能电池板或沙漠气候中的车辆集成太阳能系统经历的较温和的热循环。

钙钛矿太阳能技术长期以来被描述为几乎准备好商业化。研究电池在实验室条件下一次又一次地刷新效率记录，但现实世界环境中的耐久性一直落后。LMU的这类研究代表了关闭这一差距所需的系统工程工作——用有针对性的分子解决方案解决特定的失效模式，而不是寄希望于基础材料本身变得更坚固。

商业化之路

LMU团队在Nature Communications上发布了他们的发现，为科学界提供了技术方法和复制和建立工作所需的实验数据。主要作者Erkan Aydin直言结果的含义："这使我们向使该技术可行于实际应用更近了一步。"

商业化仍需要将双分子加固流程扩展到大面积生产，验证数千个而非十六个热循环的性能，并证明在湿度、UV和电气压力同时作用下的性能保持。但同时实现热稳定性和26%效率阈值标志着从实验室突破到全球清洁能源技术的漫长旅程中的一个重要里程碑。

本文基于PV Magazine的报道。阅读原文。