涂层为太空中的钙钛矿提供辐射屏障 保护免受地球上元素的影响

根据美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)最新发表的研究，超薄保护涂层被证明足以保护钙钛矿太阳能电池免受太空的有害影响，并使其免受地球上的环境因素的影响。

NREL研究是为空军研究实验室(AFRL)进行的，旨在开发低成本的创新能源，为全球武装部队提供动力，相应的论文发表在Nature Energy上。

这项研究是确定钙钛矿在太空应用中的有效性的最新努力，在太空应用中，钙钛矿将暴露于质子，α粒子，原子氧和其他压力源中。使用钙钛矿在太空中发电的能力很诱人，因为它们为其他技术提供了一种低成本和轻量化的选择，有可能实现与当前空间光伏技术类似的效率。

就像在地球上一样，钙钛矿太阳能电池需要具有合适的耐用性。然而，太空中的环境却大不相同。虽然地球上最大的挑战与天气有关，但在太空中，钙钛矿必须解决辐射轰击和极端温度波动带来的问题。钙钛矿显示出比许多其他太阳能电池更好的辐射耐受性的迹象，但仍需要进行大量测试。

研究人员去年进行了模拟，以证明暴露于太空中的辐射将如何影响钙钛矿。他们确定下一代技术将在太空中发挥作用，但指出需要以某种方式封装电池以提供额外的保护。

在后续研究中，最新自然能源论文的第一作者Ahmad Kirmani表示，模拟表明微米厚的氧化硅层将保持钙钛矿太阳能电池的效率并延长太空中钙钛矿太阳能电池的寿命。相比之下，微米厚的层比典型的人类头发薄约100倍。

Kirmani说，氧化硅层可以将用于其他太阳能电池的传统辐射屏障的重量减轻99%以上，并作为为钙钛矿设计轻质和低成本封装的第一步。

高能质子穿过钙钛矿太阳能电池而不会造成太大伤害。然而，低能质子在太空中更为丰富，并且通过将原子敲离位置并导致效率水平稳步下降，对钙钛矿细胞造成更大的破坏。低能质子更容易与物质相互作用，氧化硅层的添加保护钙钛矿免受低能质子的损害。

“我们认为氧化硅不可能提供保护，防止完全穿透长程粒子，如高能质子和α粒子，”Kirmani说。“然而，氧化层也被证明是一个令人惊讶的良好屏障。

结果详见论文“用于地面和太空钙钛矿光伏的金属氧化物阻挡层”。合著者是来自NREL的David Ostrowski，Kaitlyn VanSant，Rosemary Bramante，Karen Heinselman，Jinhui Tong，Bart Stevens，William Nemeth，Kai Zhu和Joseph Luther;以及与北德克萨斯大学和俄克拉荷马大学团队合作的几位关键合作者。VanSant拥有NASA博士后研究员的独特职位，他在NREL进行研究。

研究人员发现，暴露于低能质子流导致未受保护的钙钛矿太阳能电池仅损失其初始效率的15%左右。更大浓度的颗粒破坏了细胞，而受保护的钙钛矿则展示了科学家所描述的“非凡的弹性”。使用简单的屏障，细胞没有显示出任何损伤。

除了使细胞在太空中更具弹性外，研究人员还测试了屏障如何在更传统的应用中提供益处。然后，他们将钙钛矿太阳能电池暴露在不受控制的湿度和温度环境中数天，以模拟储存条件。受保护细胞保持其最初的19%的效率，而未受保护的细胞显示出显着的下降，从19.4%降至10.8%。当通常对水分更敏感的其他钙钛矿组合物暴露于水中时，氧化层还提供保护。

此外，钙钛矿太阳能电池经受测试室，在那里它们被类似于低地球轨道环境的紫外线光子轰击。光子与氧相互作用产生原子氧。未受保护的细胞在八分钟后被摧毁。受保护的细胞在20分钟后保持其初始效率，仅在30分钟后略有下降。

模拟和实验表明，通过减少辐射的损害，地球轨道和深空使用的受保护太阳能电池的寿命将从几个月增加到几年。

“到目前为止，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和运行稳定性一直是社区的两个主要关注领域，”他说。“我们已经取得了很多进展，我认为我们已经远远达到了可能非常接近实现工业化所需的目标的地步。然而，要真正进入这一市场，包装是下一个目标。

由于钙钛矿太阳能电池可以沉积到柔性衬底上，因此新兴技术与氧化硅保护层相结合，使其可用于各种地面应用，例如为无人机供电。

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