张飞&叶龙Sci Adv：用于空间的耐辐照单片宽禁带钙钛矿 / p型异质结硅叠层太阳能电池

钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池（TSCs）是制备*效、低成本空间光伏器件**前景的候选方案，但其耐辐照能力与长期工作稳定性不足，限制了该类电池在航天领域的实际部署。本文由天津大学张飞、叶龙，中国电子科技集团公司第十八研究所（天津电源研究所）Chao Zhang、北京理工大学朱城等人联合完成，报道一种单片集成叠层电池结构：将组分精准调控、带隙稳定至 1.72 eV 的宽禁带钙钛矿顶电池与抗辐照 p 型晶体硅底电池复合集成，该结构可优化零大气质量光谱（AM0，太空标准光照）下子电池的电流匹配特性，同时显著提升器件在*能电子、质子辐照环境中的运行稳定性。

本研究在钙钛矿薄膜制备阶段引入多功能离子液体添加剂氯化 1 - 丁基 - 3 - 羧甲基咪唑（[Bcmim] Cl）。该添加剂可提升薄膜结晶质量、抑制非辐射复合损耗，缓解钙钛矿相分离问题，同步改善薄膜热稳定性与光稳定性。依托该改性策略制备的 1.72 eV 单结宽禁带钙钛矿电池光电转换效率达 24.0%，第三方权威认证效率为 23.58%。对应叠层器件在地面标准太阳光光谱（AM1.5G）下光电转换效率可达 32.07%（有效面积 0.95 cm²）；在 AM0 太空标准光谱下，经认证的光电转换效率为 27.49%（有效面积 12.56 cm²）。

辐照模拟测试结果表明：在能量 1 MeV、注量 1×10¹⁴ electrons/cm² 的电子辐照后，该叠层电池仍可保留近 80% 的初始性能；在能量 150 keV、注量 1×10¹² protons/cm² 的质子辐照条件下，器件性能保有率达 93%，且辐照引发的性能衰减具备可逆恢复特性。对比实验显示，相较于窄带隙吸收层叠层器件，搭载 1.72 eV 宽禁带钙钛矿顶电池的结构辐照后衰减程度更低。该稳定性提升源于辐照后子电池间电流连续性更佳、电流失配程度更小，证实对钙钛矿光吸收层进行合理带隙调控，能够有效缓解辐照造成的叠层电池性能衰退。

除地面辐照考核实验外，团队借助*空气球搭载平台开展 20～30 km 近太空原位测试，为电池航天应用提供实测支撑。封装后的叠层电池在*空环境下输出性能稳定，**输出功率可达 387.4 mW；在多段*空飞行区间内，电池电流 - 电压（J-V）特性曲线可稳定复现，证明器件封装体系与层间互联结构在*空复杂环境下功能完好，未发生失效。

本工作构建了一套完备且具备实用性的航天级叠层光伏器件设计框架，针对性攻克领域内三大关键难题：AM0 太空光谱下的子电池光谱失配、宽禁带钙钛矿材料环境稳定性差、*能粒子辐照诱导器件衰减。通过带隙可调钙钛矿体系设计、添加剂辅助薄膜稳定化工艺与抗辐照硅基电池相结合，该方案为可规模化制备、长服役寿命光伏系统提供可行技术路径，适用于轨道飞行器平台、卫星光伏阵列及行星地表探测等各类航天任务。

文献信息

Radiation-resilient monolithic wide-bandgap perovskite/p-type heterojunction silicon tandem solar cells for space photovoltaics

Yuan Xiong、Cheng Zhu、Junfeng Wei、Zipeng Xu、Hua Zhong、Fanying Meng、Hongqiang Guo、Xunan Shen、Hao Tian、Zhongyu Li、Jie Sheng、Chuanxiao Xiao、Zhengxin Liu、Long Ye、Chao Zhang、Fei Zhang

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef6600

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