钙钛矿太阳能电池因其高效率、轻量化以及出色的辐射耐受性成为空间光伏领域备受关注的技术方向。然而低地球轨道中的卫星每天经历约15次从极寒(-90°C)到高温(80°C)的剧烈热冲击其温度变化速率(最高6.77°C/分钟)远超地面IEC 61215标准(1.67°C/分钟)目前尚无针对这种空间热冲击环境的钙钛矿太阳能电池评估协议导致其潜在的热致失效模式(如相变、微应变累积)被严重低估。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性能达到快速升温降温提升测试效率满足IEC61215等标准。本研究提出了一套加速热冲击测试协议(-80°C至80°C16°C/分钟100次循环)并以FAPbI₃为模型体系通过调控MAPbBr₃掺入量来提升结构稳定性。结果显示5% MAPbBr₃能最有效抑制微应变和非光活性δ相的形成并通过35公里高空气球测试验证了该优化组分在近空间多应力环境下的运行稳定性。低地球轨道热环境分析(a)低地球轨道中CubeSat经历热冲击的示意图(b)不同低地球轨道任务中卫星的表面温度极值和轨道高度(c)低地球轨道卫星温度范围与测试协议的比较在低地球轨道运行中卫星在日照区和阴影区之间频繁切换表面温度经历剧烈波动。虽然理论预测温度可低至-100°C以下、高至100°C以上但实际监测数据显示大多数低地球轨道卫星的表面温度范围在-90°C至80°C之间且多数时间维持在-40°C至60°C这一较窄区间。因此本研究选取-80°C至80°C作为热冲击测试的温度范围既考虑了实际极端情况又具备任务相关性。(a)低地球轨道中卫星在日照区和阴影区之间轨道过渡期间发生热冲击的示意图(b)假设温度波动为±80°C计算得出的200-2000公里下从日照区到阴影区的热过渡速率(c)2025年4月30日测量的NOAA-21卫星实时表面温度曲线(d)不同测试协议和实际工况中使用的温度变化速率比较(e) IEC 61215热循环协议的曲线图温度变化速率同样关键。卫星进出地球阴影时表面温度快速变化。根据轨道高度不同理论热过渡速率在200公里高度约为3.71°C/分钟随高度增加而降低。NOAA-21卫星824公里高度的实测数据显示出阴影时的升温速率达到6.77°C/分钟而入影时的降温速率仅为1.89°C/分钟。这种加热快、冷却慢的不对称性源于空间热物理特性直接太阳照射导致快速升温而散热主要依赖缓慢的辐射过程。考虑到实际工况的复杂性本研究采用16°C/分钟的加速热冲击速率约为实测最高速率的2.4倍旨在通过强化应力条件加速失效模式的暴露。MAPbBr₃掺入对FAPbI₃热稳定性的影响根据不同温度条件和模拟时间对FAPbI₃进行的分子动力学模拟(a)结构长度和角度(b)结构形态。热冲击(c)测试前和(d)测试后MAPbBr₃掺入量从0%到7%的FAPbI₃的XRD图谱(e)热冲击前后微应变的比较FAPbI₃钙钛矿具有优异的光电转换效率潜力但其光活性α相在室温下易转变为非光活性的δ相需要引入稳定剂。MAPbBr₃是常用的稳定剂之一通过同时提供A位阳离子和卤素离子的协同取代增强结构稳定性。分子动力学模拟显示在-80°C低温下FAPbI₃晶格结构紧凑原子波动小升温至25°C时晶格膨胀原子运动加剧至80°C时PbI₆八面体发生显著倾斜FA离子位移明显表明热应力可导致晶格结构紊乱。实验结果表明适量MAPbBr₃掺入能有效抑制δ相形成。XRD分析显示未掺入MAPbBr₃的纯FAPbI₃薄膜中存在明显δ相3% MAPbBr₃掺入后δ相基本消失α相占主导。但半高宽增加表明晶粒尺寸减小这与Br掺入引起的局部晶格畸变有关。尽管存在晶粒细化KPFM测量显示3%样品表面电子均匀性优于纯样说明δ相抑制对界面性能具有积极影响。进一步考察不同MAPbBr₃掺入量0%、1%、3%、5%、7%样品在100次热冲击循环前后的XRD变化。结果显示热冲击后0%和1%样品中δ相和PbI₂峰显著增强3%和5%样品则保持较好的α相稳定性7%样品中PbI₂峰有所增加。5%样品在热冲击后δ相和PbI₂峰增加最小表现出最优的结构耐受性。Williamson-Hall分析也证实5%样品在热冲击后微应变增加最小。表面电子性能演化热冲击后在(a)暗态条件下和(b)绿光条件下测量的1%和5% MAPbBr₃样品的KPFM图像。热冲击后1%和5%样品中(c)常规和(d)亮CPD晶粒的表面光电压比较。(e)热冲击循环后晶粒转变为复合位点的示意图。(f) 1%样品和(g) 5%样品在热冲击前后暗态下的平均CPD分布曲线KPFM测试结果显示热冲击后1% MAPbBr₃样品表面接触电位差分布显著宽化表面光电压明显降低表明缺陷密度增加、电荷分离效率下降。而5%样品在热冲击后仍保持较为均匀的电位分布和较高的表面光电压显示出更好的电子均匀性和结构稳定性。UPS测试也印证了这一点1%样品在热冲击后功函数发生明显变化而5%样品变化不显著说明其对热应力诱导的陷阱态活化具有更强的抑制能力。完整器件性能(a)经受热冲击测试的完整钙钛矿太阳能电池器件示意图。(b)热冲击后1%和5% MAPbBr₃样品的平均PCE保持率。(c) 1%和(d) 5% MAPbBr₃器件在热冲击前后的反向扫描J-V特性曲线。(e) 1%和(f) 5%MAPbBr₃器件在热冲击前后的外量子效率谱在完整器件层面采用ITO/SnO₂/(FAPbI₃)₀.₉₅(MAPbBr₃)₀.₀₅/PEAI/PTAA/Au结构制备的太阳能电池经100次热冲击循环后5%样品保留了约80%的初始光电转换效率而1%样品则下降约38%。J-V曲线显示1%样品在热冲击后短路电流和填充因子下降更为明显表明电荷复合增加、电荷提取受损。EQE谱图同样显示1%样品在全光谱范围内响应显著降低而5%样品仅长波段700-800 nm略有衰减可能与钙钛矿/PTAA界面的热膨胀不匹配有关。高空气球验证(a)进行高空气球测试的高度示意图(b)约35公里高度处的环境条件总结(c)高空气球测试示意图(d)用于测试的两个不同PSCs的温度-高度图(e)高空气球飞行期间记录的不同高度的实测辐照度(f)不同高度下1%和5% MAPbBr₃样品的PCE为验证实验室结果在真实近空间环境下的适用性研究团队于2023年10月开展了高空气球测试飞行高度约35公里。该高度处气压仅为海平面的约2%温度可降至-40°C辐照度接近AM0标准是模拟空间环境的理想平台。测试结果显示随着高度升高、辐照度线性增加1% MAPbBr₃样品的短路电流增长斜率0.00016显著低于5%样品0.00364表明1%样品存在严重的非辐射复合损失。Voc和Fill Factor数据也显示5%样品在飞行过程中波动更小、稳定性更高。归一化PCE随高度的变化进一步证实5%样品在近空间多应力环境下的运行稳定性显著优于1%样品。KPFM和EQE的实验室测试结果与高空观测高度吻合验证了材料优化策略的有效性。本研究建立了一套面向空间应用的钙钛矿太阳能电池热冲击评估框架发现低地球轨道卫星的实际热环境-90°C至80°C升温速率达6.77°C/分钟与地面测试标准存在显著差异因此提出了更为严苛的加速测试协议-80°C至80°C16°C/分钟100次循环。通过对FAPbI₃体系的研究证实5% MAPbBr₃掺入量在抑制微应变、稳定α相、保持电子均匀性方面表现最优热冲击后器件效率保持率达80%显著优于1%掺入量样品的62%。35公里高空气球测试进一步验证了5%样品在低气压、近AM0辐照等多应力环境下的运行稳定性证实了材料优化策略的实际可行性。本研究为空间用钙钛矿光伏组件的设计与评估提供了方法学基础未来需进一步关注界面热应力匹配问题并针对不同轨道类型低地球轨道vs地球静止轨道开展差异化优化设计。美能温湿度综合环境试验箱美能温湿度综合环境试验箱美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器能够实现多段温度编程具有高精确度和良好的可靠性满足不同气候条件下的测试需求。▶温度范围20℃~130℃▶温湿度范围10%RH~98%RH(at20℃-85℃▶满足试验标准IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境为钙钛矿光伏组件的可靠性评估提供了关键测试条件,为其商业化应用提供了扎实的实验依据。原文参考Towards space compatible perovskite solar cells:guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing