面向太空光伏的AM0效率达27.49%的抗辐射宽带隙钙钛矿/硅叠层电池

低轨卫星星座正在快速铺开把太空光伏的门槛抬到了高效率、低成本、长寿命这三道硬杠上。III-V族电池性能好可造价太高硅电池便宜但比功率和抗辐照都偏弱单结钙钛矿在AM0下的效率又普遍上不去。钙钛矿/硅叠层原本被寄望于打破这个效率天花板可单片集成有个绕不开的问题硅底电池一旦被辐照打伤整个叠层跟着掉效率而它能不能扛很大程度取决于用p型还是n型、以及硅到底做多厚常规n型硅在空间辐照下衰减得相当厉害。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT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。本研究开发了一种抗辐射单片叠层结构将带隙为1.72 eV的宽带隙钙钛矿顶电池与100 μm厚的p型硅异质结底电池相结合利用p型硅自身优异的抗辐射特性缓解底电池退化问题同时引入离子液体添加剂[Bcmim]Cl优化钙钛矿薄膜质量抑制相分离和非辐射复合。该设计在实现AM0光谱下良好电流匹配的同时从器件层面系统提升了叠层电池的空间环境耐受性。实验方法与器件制备顶电池按p-i-n结构ITO/SAM/钙钛矿/C60/BCP/Ag制备前驱体是Cs₀.₂₂FA₀.₇₈Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃加了[Bcmim]Cl后旋涂成膜。底电池做在100μm厚的p型单晶硅上织构化绒面带非晶硅/纳米晶硅钝化层和IWO透明电极。单片叠层是在p-Si上一步步叠出来的先沉积10 nm IWO复合界面再上钙钛矿顶电池、C60、SnOx、ITO、银栅线最后蒸一层MgF₂。辐照实验选了1 MeV电子和150 keV质子注量按梯度设置再拿CASINO、SRIM去模拟能量沉积和损伤分布。薄膜靠SEM、GIWAXS、AFM、KPFM、SCLC、PL、QFLS一组手段来表征AM0性能送第三方在1353 W/m²下认证J-V在AM1.5G1000 W/m²和AM01353 W/m²下都做了双向扫描。近空间验证走的是高空气球路线把12.56 cm²的封装叠层用盖玻片/空间级硅橡胶/SiOx层压结构装进探空载荷在真实AM0和低压下做在飞I-V扫描。叠层器件的电子辐照效应与带隙优化不同顶电池带隙单片钙钛矿/硅叠层的电子抗辐照能力先看1 MeV电子辐照打出了什么效果。模拟下来大部分能量都沉积在硅底电池里。实测也印证了这点n型硅电池在2×10¹⁴ e⁻/cm²注量下效率掉了97.58%几乎废掉p型只掉31.8%。这个差距把p型硅更扛辐照的特点摆得很清楚。再看EQE光谱辐照后硅电池长波响应衰减根子是体内缺陷变多了。把顶电池带隙从常用的1.68 eV提到1.72 eV思路是AM0下硅底电池被辐照打衰减之后用1.72 eV顶电池去配它更顺电流更平衡。结果也撑得住这个说法1×10¹⁴ e⁻/cm²电子辐照后1.72 eV器件还留着80%的初始效率1.68 eV的只剩73%。原因其实很直接1.72 eV顶电池本身电流就低等硅底电池电流一掉两边反而对得上了。宽带隙钙钛矿的稳定性工程含与不含[Bcmim]Cl添加剂的1.72电子伏宽带隙钙钛矿薄膜表征宽带隙钙钛矿1.70 eV存在相分离和非辐射复合问题。研究引入[Bcmim]Cl添加剂来解决。表征结果显示添加剂增大了晶粒尺寸提高了结晶取向性降低了薄膜表面粗糙度。SCLC测试表明电子和空穴陷阱密度降低。KPFM显示钙钛矿表面费米能级上移改善了与电子传输层的能级匹配。PL测试证明在低温、连续光照和高温光照联合老化条件下添加剂处理的薄膜均表现出更强的稳定性抑制了卤化物相分离和缺陷形成。单结与叠层器件性能经[Bcmim]Cl添加剂提升的光伏性能与稳定性采用优化后的1.72 eV钙钛矿制备的单结电池效率从23.23%提升至24.00%认证23.58%。目标器件的迟滞、理想因子均显著降低QFLS提升非辐射复合被有效抑制。在85°C高温光照和-90°C低温测试中目标器件均表现出远优于对照器件的稳定性。宽带隙钙钛矿/p-Si叠层的器件性能在150 keV质子辐照实验中目标器件在低注量下表现出明显的自修复效应5天暗态存储后效率恢复且优于对照器件。而单结硅器件在质子辐照后性能大幅衰退且无恢复。做好的叠层电池小面积0.95 cm²32.07%、大面积12.56 cm²30.58%都是在AM1.5G下。大面积那片送去认证AM0下27.49%是目前钙钛矿/硅叠层在AM0上的最高认证纪录。EQE一算AM0下顶底电池电流对得很齐。环境适应性这块热冲击循环−90到90°C跑完效率还在96.8%150 keV质子辐照后留93%湿热老化550小时目标器件还守着约95%的初始效率。近空间飞行验证用于宽带隙钙钛矿/p-Si叠层原位监测的近空间高空气球平台真要验近空间环境里的表现团队把封装好的器件挂上高空气球送到了约29.7公里高。飞行中VOC、ISC基本稳住只随光照角度轻微晃。28.3到29.7公里那段平飞最稳器件在好几段数据里I-V都能重复出来最大输出功率387.4 mW。整趟飞下来没看到性能往下掉也没曲线变形封装和器件结构在真实近空间里是经得起的。这项研究以带隙调谐、添加剂稳定和抗辐照硅底电池的组合做出耐辐照单片宽带隙钙钛矿/p-Si叠层。1.72电子伏顶电池改善AM0电流匹配[Bcmim]Cl钝化陷阱、抑制相分离并增强热光稳定p型薄硅底电池扛住电子和质子损伤。器件AM0认证27.49%1兆电子伏电子辐照保持近80%、150千电子伏质子保持93%近空间飞行稳定输出387.4毫瓦。它同时回应空间叠层三大挑战AM0光谱失配、宽带隙材料环境不稳定、辐照退化为轨道平台、卫星阵列和行星表面任务提供可放大、耐用的光伏路线。美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A级LED太阳光模拟器作为老化光源并在上一代基础上完成全面进阶光谱范围拓展至300~1700 nmAM0、光谱等级达到AAAAM0、支持24 通道独立可调为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池2T/3T/4T的研究提供了强有力的支持。▶ 光源等级AAAAM0光谱范围 300~1700 nm适用于太空光伏测试▶多波段独立可控24 通道可调AM0精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙▶ 大样品夹具支持210×105 mm叠层电池夹具采用正背面金线挤压引出电极▶ 环境可控支持15℃~100℃半导体控温同时可在氮气环境无水无氧下测试美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。原文参考Radiation-resilient monolithic wide-bandgapperovskite/p-type heterojunction silicon tandem solar cells for space photovoltaics