Advanced Materials:钙钛矿太阳能电池面向空间应用的研究进展及挑战

近年来,一类新型的光伏能源技术——钙钛矿太阳能电池迅速崛起,其光电转换效率从2009年的3.8%提升到2020年的25.5%,不断逼近异质结硅基太阳能电池的最高认证效率(26.7%)。钙钛矿太阳能电池以其制备简单、成本低和效率高的优势,成为新型光伏技术的新宠,表现出极大的优势和应用潜力。

与砷化镓和硅基太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池具有几点显著的优势。首先,成本优势。采用价格低廉的钙钛矿光伏材料作为吸光材料,而且制备流程的成本显著低于砷化镓和晶硅。其次,柔性优势。钙钛矿光伏材料在太阳能电池中通常以厚度为亚微米级别的薄膜形式存在,适合构建柔性太阳能电池,从而可以充分利用弯曲载体的表面空间。再者,高能质比优势。钙钛矿太阳能电池是一类新型的薄膜太阳能电池,自身质量较轻,单位质量所产生的能量较高,尤其是柔性钙钛矿太阳能电池,已有的研究表明,其具有其他种类太阳能电池所无法达到的超高能质比(> 20 W g-1)。另外,钙钛矿材料具有较好的抗辐射潜能。据报道,钙钛矿半导体在2.3Mrad伽玛(γ)射线连续辐射1535小时后,表现出比玻璃更优异的抗辐射性能。基于以上几点优势,钙钛矿太阳能电池有望发展成为新一代空间光伏能源技术。

西北工业大学黄维院士、涂用广副教授与北京大学龚旗煌院士、朱瑞研究员,中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员共同综述了钙钛矿太阳能电池在宇宙空间的极端环境以及多种极端环境下的稳定性情况以及空间飞行试验任务。这些极端环境因素包括高真空、强紫外太阳光照、极端温度、高低温循环、电子辐射、质子辐射、紫外线辐照、伽玛射线辐射等,这些因素对钙钛矿太阳能电池的稳定性提出了新的挑战。面对空间中的极端环境,空间光伏技术必须具有较高的光电转换效率、较高的能质比和长期的稳定性。此外,该综述文章还展望了适用于空间环境的钙钛矿太阳能电池的发展方向。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(62004165、61722501)、中国科学院临近空间科学实验系统(XDA17020304)、陕西省自然科学基金(2020JQ-195)、陕西省科学技术厅和西北工业大学联合资助项目(2020GXLH-Z-007)、中央高校基本科研基金(31020190QD031)、中国博士后科学基金(BX20190018)的支持。

论文信息:

Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges

Yongguang Tu#*, Jiang Wu#, Guoning Xu#, Xiaoyu Yang, Rong Cai, Qihuang Gong*, Rui Zhu*, Wei Huang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202006545.