用于太空光伏的钙钛矿电池：极端环境下的挑战与缓解策略

在太空环境中，卫星、空间站、深空探测器等设备需要独立、持续的电力供应。传统空间光伏主要依赖III-V族多结电池（如GaAs、InGaP）和硅基电池，它们虽具有高效率和抗辐射性，但存在制造成本高、质量大、机械刚性等局限。钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其带隙可调（1.2–2.3 eV）、高吸收系数（>10⁵ cm⁻¹）、可低温溶液加工、轻薄柔性等优点，为空间光伏提供了新的技术路径。美能光热真空试验箱打破传统单一环境测试的局限，实现三大实验条件的协同控制与精准耦合，完美复现太空轨道中光伏组件的真实工作环境。此外，近期研究发现，卤化物钙钛矿在特定辐射条件下表现出部分自修复行为，归因于其软晶格和强极性，这进一步增强了其在空间应用的吸引力。然而，太空中的多重极端应力——包括高能粒子辐射、紫外照射、原子氧、超高真空和剧烈热循环——会导致PSCs的快速退化。本综述聚焦太空环境，系统分析PSCs的主要退化机制，总结相应的材料设计、界面工程、封装及自修复策略，并结合真实空间飞行验证，评估其应用前景。

钙钛矿太阳能电池（PSC）与代表性光伏技术在极端环境部署条件下的维恩图对比

极端环境条件及其挑战：太空环境

 

钙钛矿太阳能电池在极端环境外部应力因素下工作的示意图

太空环境中，太阳能电池面临高能粒子辐射（电子、质子）、紫外辐射、原子氧（AO）、超高真空、剧烈的热循环（-120°C至120°C）以及热膨胀系数（CTE）不匹配引发的机械应力。传统空间用III-V族和硅太阳能电池成本高、质量大，而PSCs具有轻量化、柔性、可能自修复的优势。例如，研究发现钙钛矿在高能质子辐照下可部分自修复，源于其软晶格和强极性。

空间太阳能电池需满足高PCE、抗辐射、抗AO、热稳定性好、质量轻等要求。参考AIAA S-111标准，需耐受1×10¹⁶ cm⁻²的1 MeV电子和1×10¹³ cm⁻²的3 MeV质子，并能在-150°C至150°C工作。AM0光谱比地面AM1.5G具有更高的紫外和红外辐照度，因此空间PSCs需针对AM0进行带隙和光学设计。

真空条件下，残留溶剂和水分释放会导致应力累积和分层；高温下钙钛矿有机组分（MA、FA、HI）挥发，导致成分不均。原子氧会侵蚀有机电荷传输层和封装材料，需要无机阻挡层（如Al₂O₃、SiO₂）保护。

PSCs中的应力因素：光应力

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辐照诱导降解及自修复策略

降解机制：紫外光可分解PbI₂生成金属Pb⁰和I₂，I₂会进一步引发碘化物钙钛矿的链式降解。含TiO₂等光催化活性ETL的器件在紫外下加速分解。在真空条件下，MAPbI₃在LED光照下会发生不可逆降解，生成MAI、PbI₂，最终产生Pb和I₂，形成绝缘层阻碍载流子传输。

质子等电离辐射会断裂FA⁺中的C-H和N-H键，生成H⁺自由基，导致FA⁺去质子化并形成HI、三聚氰胺和NH₃等不可逆产物，使A位阳离子流失，形成δ相和PbI₂。

缓解策略：

表面和晶界钝化：使用铵盐（如烷基铵、芳香铵）形成2D/3D异质结，抑制离子迁移和光诱导降解。例如，2D稳定的FAPbI₃器件在85°C下1000小时后保持>97% PCE。

底部界面强键合：在钙钛矿/ITO界面引入芳香膦酸分子，形成强化学键，在含3.5%紫外光下T90寿命达1780小时，远高于对照的190小时。

ETL替代与紫外过滤：采用La:BaSnO₃替代TiO₂，在含紫外光照1000小时后保持93.3% PCE；使用TiO₂/石墨烯纳米点复合层吸收紫外，100小时后仅损失15% PCE。

自修复：利用光生陷阱态在暗态下消散的特性，或引入氧化还原对（如Eu²⁺/Eu³⁺、V³⁺/V²⁺）可逆氧化Pb⁰和还原I₂。淀粉-多碘化物超分子可存储和释放I⁻，中和碘空位，在42个昼夜循环后保持>98% PCE。但自修复需防止挥发性产物逃逸，在真空中尤为重要。

PSCs中的应力因素：温度应力

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热致降解及热管理策略

降解机制：MAPbI₃在85°C以上可逆分解为PbI₂、MA和HI；FA⁺在95°C以上不可逆转化为三聚氰胺和NH₃。全无机CsPbI₃热稳定性更好，α相稳定至390°C。低温下（如220 K）PCE反而提升，因晶格畸变促进本征缺陷自消除；但进一步降温至130 K时因相变导致FF下降。热循环中CTE不匹配导致分层和疲劳，比恒温暴露更危险。

缓解策略：

先进封装：聚合物-玻璃全封闭封装可防止挥发性产物逸出，在85°C/85% RH下1800小时保持>95% PCE。

非离子型钝化剂：DMBSA（低pKa）在85°C下1500小时后保持96.1% PCE，而离子型PEA⁺仅剩64.0%。

热管理：引入h-BN于晶界和表面，并配合铜散热器，将运行温度降低6.5°C，85°C下1704小时后保持96% PCE。

CTE匹配与自修复：添加β-聚(1,1-二氟乙烯)或构建动态二硫键网络（HDSF），在-60°C至+80°C快速热循环120–160次后，仍保持88–93%的效率。

PSCs中的应力因素：湿气应力

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湿气诱导降解及缓解策略

降解机制：水分与MAPbI₃反应生成PbI₂、CH₃NH₂和HI，导致颜色由黑变黄。降解优先从晶界和表面开始。

缓解策略：

2D/3D异质结：疏水大体积铵阳离子形成2D覆盖层，抑制水分进入。代表性2D/3D器件在85°C/85% RH下1000小时后保持>95% PCE。

聚合物添加剂：PVA、PMMA等可钝化晶界，在90% RH下30天保持>90% PCE。

疏水HTL：CoₓS₇纳米颗粒替代吸湿性Spiro-OMeTAD，在65°C/65% RH下1000小时后保持95% PCE。

自修复（挥发物保留）：PEG支架通过氢键锚定MA，干燥后MA与PbI₂反应再生MAPbI₃。树枝状大分子（NHD）作为FA储库，在60°C/85% RH降解和25°C/<20% RH恢复的10个循环后保持约90% PCE。

水下封装：PIB边缘密封和Pb吸附材料（如DMDP、EDTMP）在盐水浸泡10天后铅泄漏仍低于饮用水标准。

PSCs中的应力因素：机械应力

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失效机制：PSCs多层薄膜在压力波动、弯曲、振动下，裂纹易从晶界、界面缺陷处萌生，扩展后导致电极开裂、界面脱粘和分流。钙钛矿本身较软，且可在热或压缩应力下部分自修复。

缓解策略：

晶界增强：多齿交联超支化聚合物在晶界形成网络，柔性PSCs在10,000次弯曲（半径3 mm）后保持94.1% PCE。

界面增韧：自组装单分子层（SAMs）或多齿聚合物提高ETL/钙钛矿界面断裂能，减少分层。

柔性电极：银纳米线（AgNW）网络电极替代脆性ITO，在弯曲后仍保持导电通路。

封装技术

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封装是抵御环境入侵的关键。分为玻璃-玻璃封装（高阻隔、重）和薄膜封装（TFE，轻、柔性但易缺陷）。极端环境需定制化封装：

太空：需抗AO的无机阻挡层（如SiO₂）和抗辐射盖玻片（如掺铈玻璃）。

热循环环境：需低应力封装，采用粘弹性夹层或应力缓冲层。

水下：需长期密封、耐盐、抑制铅泄漏，并可结合自修复环氧树脂（如ER，Tg=42°C，阳光加热可愈合微裂纹）。

通用要求：系统验证仍不足，需针对每种环境的标准化测试。

真实极端条件下的验证案例

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真实极端条件下的验证案例

2016年气球实验（32 km高度）：PCE从14.6%降至9.3%，未完全失效。

2019年近太空（35 km）加紫外滤光片：>95% PCE保持超过1小时。

2020年MAPHEUS-8火箭（239 km）：直接阳光下>14 mW cm⁻²，散射光下仍能工作。

2022年近太空19小时昼夜测试：输出0.0869 kWh cm⁻²，正午11.9 mW cm⁻²。

2023年ISS 10个月暴露（SiO₂阻挡+硅酮封装）：无不可逆辐射损伤，反而出现光愈合。

在极端环境中可靠部署钙钛矿太阳能电池需克服的关键挑战示意图

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借带隙可调、高吸收系数、轻量柔性及潜在的自修复能力，在太空光伏领域展现出独特优势。然而，太空中的高能粒子辐射、原子氧、超高真空及剧烈热循环（-120°C至120°C）会引发钙钛矿A位有机阳离子不可逆分解、挥发性组分损失、界面分层及电极开裂等退化机制。针对这些应力，目前已发展出2D/3D异质结钝化、底部界面强键合、氧化还原对自修复（如Eu²⁺/Eu³⁺、V³⁺/V²⁺）、原子氧阻挡层（SiO₂、Al₂O₃）、热膨胀系数匹配及动态自修复网络等策略，显著提升了PSCs的空间稳定性。气球、探空火箭及国际空间站的飞行验证表明，合理封装的PSCs可在低地球轨道存活数月并表现出光愈合现象。未来需进一步开发全无机或低挥发性钙钛矿组分、强化挥发物保留的自修复材料、推进钙钛矿/CIGS抗辐射叠层结构，并建立面向空间环境的标准化测试协议（参考AIAA S-111A），以推动PSCs成为下一代轻量、高效、可靠的太空光伏电源。

美能光热真空试验箱

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美能光热真空试验箱实现光照、温度、真空三大条件的协同控制，真实复现低轨太空环境。适用于钙钛矿、硅基及III-V族太阳能电池在极端空间下的性能评估与可靠性验证。

• 太阳光模拟：AM0太空光谱，AAA等级，模拟紫外短波辐射
• 温度控制：-70℃/-80℃（可选-175℃）至+150℃，支持冷板、气氮等多种方式
• 高真空：可达8.0×10⁻⁵ Pa 或 5.0×10⁻⁵ Pa

美能光热真空试验箱可精准评估钙钛矿、硅基及III-V族太阳能电池在空间极端环境下的性能与可靠性，重点服务于热冲击、热疲劳及紫外老化等测试需求，为航天光伏器件的工艺优化与寿命预测提供核心检测支撑。