鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、輕量化以及出色的輻射耐受性，成為空間光伏領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)方向。然而，低地球軌道中的衛(wèi)星每天經(jīng)歷約15次從極寒(-90°C)到高溫(+80°C)的劇烈熱沖擊，其溫度變化速率(最高6.77°C/分鐘)遠(yuǎn)超地面IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)(1.67°C/分鐘)，目前尚無針對這種空間熱沖擊環(huán)境的鈣鈦礦太陽能電池評估協(xié)議，導(dǎo)致其潛在的熱致失效模式(如相變、微應(yīng)變累積)被嚴(yán)重低估。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱專為驗證評估組件或材料的可靠性，能達(dá)到快速升溫降溫，提升測試效率，滿足IEC 61215等標(biāo)準(zhǔn)。

本研究提出了一套加速熱沖擊測試協(xié)議(-80°C至+80°C，16°C/分鐘，100次循環(huán))，并以FAPbI?為模型體系，通過調(diào)控MAPbBr?摻入量來提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示5 % MAPbBr?能最有效抑制微應(yīng)變和非光活性δ相的形成，并通過35公里高空氣球測試驗證了該優(yōu)化組分在近空間多應(yīng)力環(huán)境下的運行穩(wěn)定性。

低地球軌道熱環(huán)境分析

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(a)低地球軌道中CubeSat經(jīng)歷熱沖擊的示意圖(b)不同低地球軌道任務(wù)中衛(wèi)星的表面溫度極值和軌道高度(c)低地球軌道衛(wèi)星溫度范圍與測試協(xié)議的比較

在低地球軌道運行中，衛(wèi)星在日照區(qū)和陰影區(qū)之間頻繁切換，表面溫度經(jīng)歷劇烈波動。雖然理論預(yù)測溫度可低至-100°C以下、高至+100°C以上，但實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)低地球軌道衛(wèi)星的表面溫度范圍在-90°C至+80°C之間，且多數(shù)時間維持在-40°C至+60°C這一較窄區(qū)間。因此，本研究選取-80°C至+80°C作為熱沖擊測試的溫度范圍，既考慮了實際極端情況，又具備任務(wù)相關(guān)性。

(a)低地球軌道中衛(wèi)星在日照區(qū)和陰影區(qū)之間軌道過渡期間發(fā)生熱沖擊的示意圖(b)假設(shè)溫度波動為±80°C，計算得出的200-2000公里下從日照區(qū)到陰影區(qū)的熱過渡速率(c)2025年4月30日測量的NOAA-21衛(wèi)星實時表面溫度曲線(d)不同測試協(xié)議和實際工況中使用的溫度變化速率比較(e) IEC 61215熱循環(huán)協(xié)議的曲線圖

溫度變化速率同樣關(guān)鍵。衛(wèi)星進(jìn)出地球陰影時，表面溫度快速變化。根據(jù)軌道高度不同，理論熱過渡速率在200公里高度約為3.71°C/分鐘，隨高度增加而降低。NOAA-21衛(wèi)星（824公里高度）的實測數(shù)據(jù)顯示，出陰影時的升溫速率達(dá)到6.77°C/分鐘，而入影時的降溫速率僅為1.89°C/分鐘。這種加熱快、冷卻慢的不對稱性源于空間熱物理特性：直接太陽照射導(dǎo)致快速升溫，而散熱主要依賴緩慢的輻射過程。

考慮到實際工況的復(fù)雜性，本研究采用16°C/分鐘的加速熱沖擊速率，約為實測最高速率的2.4倍，旨在通過強化應(yīng)力條件，加速失效模式的暴露。

MAPbBr?摻入對FAPbI?熱穩(wěn)定性的影響

根據(jù)不同溫度條件和模擬時間，對FAPbI?進(jìn)行的分子動力學(xué)模擬(a)結(jié)構(gòu)長度和角度(b)結(jié)構(gòu)形態(tài)。熱沖擊(c)測試前和(d)測試后，MAPbBr?摻入量從0%到7%的FAPbI?的XRD圖譜(e)熱沖擊前后微應(yīng)變的比較

FAPbI?鈣鈦礦具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率潛力，但其光活性α相在室溫下易轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪饣钚缘摩南啵枰敕€(wěn)定劑。MAPbBr?是常用的穩(wěn)定劑之一，通過同時提供A位陽離子和鹵素離子的協(xié)同取代，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

分子動力學(xué)模擬顯示，在-80°C低溫下，FAPbI?晶格結(jié)構(gòu)緊湊，原子波動小；升溫至25°C時，晶格膨脹，原子運動加劇；至80°C時，PbI?八面體發(fā)生顯著傾斜，F(xiàn)A離子位移明顯，表明熱應(yīng)力可導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)紊亂。

實驗結(jié)果表明，適量MAPbBr?摻入能有效抑制δ相形成。XRD分析顯示，未摻入MAPbBr?的純FAPbI?薄膜中存在明顯δ相；3% MAPbBr?摻入后，δ相基本消失，α相占主導(dǎo)。但半高寬增加，表明晶粒尺寸減小，這與Br摻入引起的局部晶格畸變有關(guān)。盡管存在晶粒細(xì)化，KPFM測量顯示3%樣品表面電子均勻性優(yōu)于純樣，說明δ相抑制對界面性能具有積極影響。

進(jìn)一步考察不同MAPbBr?摻入量（0%、1%、3%、5%、7%）樣品在100次熱沖擊循環(huán)前后的XRD變化。結(jié)果顯示，熱沖擊后，0%和1%樣品中δ相和PbI?峰顯著增強；3%和5%樣品則保持較好的α相穩(wěn)定性；7%樣品中PbI?峰有所增加。5%樣品在熱沖擊后δ相和PbI?峰增加最小，表現(xiàn)出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)耐受性。Williamson-Hall分析也證實，5%樣品在熱沖擊后微應(yīng)變增加最小。

表面電子性能演化

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熱沖擊后，在(a)暗態(tài)條件下和(b)綠光條件下測量的1%和5% MAPbBr?樣品的KPFM圖像。熱沖擊后1%和5%樣品中(c)常規(guī)和(d)亮CPD晶粒的表面光電壓比較。(e)熱沖擊循環(huán)后晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合位點的示意圖。(f) 1%樣品和(g) 5%樣品在熱沖擊前后暗態(tài)下的平均CPD分布曲線

KPFM測試結(jié)果顯示，熱沖擊后，1% MAPbBr?樣品表面接觸電位差分布顯著寬化，表面光電壓明顯降低，表明缺陷密度增加、電荷分離效率下降。而5%樣品在熱沖擊后仍保持較為均勻的電位分布和較高的表面光電壓，顯示出更好的電子均勻性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。UPS測試也印證了這一點：1%樣品在熱沖擊后功函數(shù)發(fā)生明顯變化，而5%樣品變化不顯著，說明其對熱應(yīng)力誘導(dǎo)的陷阱態(tài)活化具有更強的抑制能力。

完整器件性能

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(a)經(jīng)受熱沖擊測試的完整鈣鈦礦太陽能電池器件示意圖。(b)熱沖擊后1%和5% MAPbBr?樣品的平均PCE保持率。(c) 1%和(d) 5%MAPbBr?器件在熱沖擊前后的反向掃描J-V特性曲線。(e) 1%和(f) 5%MAPbBr?器件在熱沖擊前后的外量子效率譜

在完整器件層面，采用ITO/SnO?/(FAPbI?)?.??(MAPbBr?)?.??/PEAI/PTAA/Au結(jié)構(gòu)制備的太陽能電池，經(jīng)100次熱沖擊循環(huán)后，5%樣品保留了約80%的初始光電轉(zhuǎn)換效率，而1%樣品則下降約38%。J-V曲線顯示，1%樣品在熱沖擊后短路電流和填充因子下降更為明顯，表明電荷復(fù)合增加、電荷提取受損。EQE譜圖同樣顯示，1%樣品在全光譜范圍內(nèi)響應(yīng)顯著降低，而5%樣品僅長波段（700-800 nm）略有衰減，可能與鈣鈦礦/PTAA界面的熱膨脹不匹配有關(guān)。

高空氣球驗證

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(a)進(jìn)行高空氣球測試的高度示意圖(b)約35公里高度處的環(huán)境條件總結(jié)(c)高空氣球測試示意圖(d)用于測試的兩個不同PSCs的溫度-高度圖(e)高空氣球飛行期間記錄的不同高度的實測輻照度(f)不同高度下1%和5% MAPbBr?樣品的PCE

為驗證實驗室結(jié)果在真實近空間環(huán)境下的適用性，研究團(tuán)隊于2023年10月開展了高空氣球測試，飛行高度約35公里。該高度處氣壓僅為海平面的約2%，溫度可降至-40 °C，輻照度接近AM0標(biāo)準(zhǔn)，是模擬空間環(huán)境的理想平臺。

測試結(jié)果顯示，隨著高度升高、輻照度線性增加，1% MAPbBr?樣品的短路電流增長斜率（0.00016）顯著低于5%樣品（0.00364），表明1%樣品存在嚴(yán)重的非輻射復(fù)合損失。Voc和Fill Factor數(shù)據(jù)也顯示，5%樣品在飛行過程中波動更小、穩(wěn)定性更高。歸一化PCE隨高度的變化進(jìn)一步證實，5%樣品在近空間多應(yīng)力環(huán)境下的運行穩(wěn)定性顯著優(yōu)于1%樣品。KPFM和EQE的實驗室測試結(jié)果與高空觀測高度吻合，驗證了材料優(yōu)化策略的有效性。

本研究建立了一套面向空間應(yīng)用的鈣鈦礦太陽能電池?zé)釠_擊評估框架，發(fā)現(xiàn)低地球軌道衛(wèi)星的實際熱環(huán)境（-90°C至+80°C，升溫速率達(dá)6.77°C/分鐘）與地面測試標(biāo)準(zhǔn)存在顯著差異，因此提出了更為嚴(yán)苛的加速測試協(xié)議（-80°C至+80°C，16°C/分鐘，100次循環(huán)）。通過對FAPbI?體系的研究證實，5% MAPbBr?摻入量在抑制微應(yīng)變、穩(wěn)定α相、保持電子均勻性方面表現(xiàn)最優(yōu)，熱沖擊后器件效率保持率達(dá)80%，顯著優(yōu)于1%摻入量樣品的62%。35公里高空氣球測試進(jìn)一步驗證了5%樣品在低氣壓、近AM0輻照等多應(yīng)力環(huán)境下的運行穩(wěn)定性，證實了材料優(yōu)化策略的實際可行性。本研究為空間用鈣鈦礦光伏組件的設(shè)計與評估提供了方法學(xué)基礎(chǔ)，未來需進(jìn)一步關(guān)注界面熱應(yīng)力匹配問題，并針對不同軌道類型（低地球軌道vs地球靜止軌道）開展差異化優(yōu)化設(shè)計。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱

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美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱采用進(jìn)口溫度控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿足不同氣候條件下的測試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測標(biāo)準(zhǔn)

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱通過精確控制紫外輻照劑量與85°C/85%RH的濕熱環(huán)境，為鈣鈦礦光伏組件的可靠性評估提供了關(guān)鍵測試條件，為其商業(yè)化應(yīng)用提供了扎實的實驗依據(jù)。