涂层为太空中的钙钛矿提供辐射屏障保护地球上的元素

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，超薄保护涂层足以保护钙钛矿太阳能电池免受太空的有害影响，并使其在地球环境因素的影响下更加坚固。

NREL的研究是为空军研究实验室(AFRL)进行的，目的是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《自然能源》杂志上。

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，它会暴露在质子、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成本更低、重量更轻的选择，并有可能实现与当前太空光伏技术相似的效率。

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耐辐射的迹象，但仍有大量测试有待进行。

研究人员去年进行了模拟，以证明暴露在太空中的辐射会如何影响钙钛矿。他们确定下一代技术可以在太空中使用，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，最新一期《自然能源》论文的主要作者AhmadKirmani表示，模拟表明，微米厚的氧化硅层可以保持钙钛矿太阳能电池在太空中的效率并延长其寿命。作为比较，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少99%以上，并且是为钙钛矿设计轻型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，并且通过将原子撞出原位并导致效率水平稳步下降，从而对钙钛矿电池造成更大的破坏。较低能量的质子更容易与物质相互作用，添加氧化硅层可以保护钙钛矿免受低能量质子的破坏。

Kirmani说：“我们认为氧化硅不可能提供针对完全穿透的远程粒子(例如高能质子和α粒子)的保护。”“然而，事实证明，氧化层也是一个非常好的屏障。”

结果在“用于地面和太空钙钛矿光伏发电的金属氧化物阻挡层”一文中有详细说明。共同作者是NREL的DavidOstrowski、KaitlynVanSant、RosemaryBramante、KarenHeinselman、JinhuiTong、BartStevens、WilliamNemeth、KaiZhu和JosephLuther;以及与来自北德克萨斯大学和俄克拉荷马大学的团队合作的几位主要合作者。VanSant拥有独特的地位，是NASA的博士后研究员，在NREL进行研究。

研究人员发现，暴露在低能质子流中导致未受保护的钙钛矿太阳能电池仅损失其初始效率的约15%。更高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说的“非凡的弹性”。使用简单的屏障，细胞没有显示出损坏。

除了使细胞在空间中更具弹性外，研究人员还测试了屏障如何在更传统的应用中提供好处。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几天，以模拟储存条件。受保护的电池保持其最初19%的效率，而未受保护的电池显示出明显的退化，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时，氧化物层也提供保护。

此外，钙钛矿太阳能电池经过测试室，在那里它们受到类似于近地轨道环境的紫外线光子的轰击。光子与氧相互作用产生原子氧。八分钟后，未受保护的细胞被破坏。受保护的电池在20分钟后保持其初始效率，在30分钟后仅略有下降。

模拟和实验表明，通过减少辐射造成的损害，用于地球轨道和深空的受保护太阳能电池的寿命将从数月延长至数年。

“迄今为止，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关注的两个主要领域，”他说。“我们已经取得了很大进展，我认为我们已经取得了很大进展，我们可能非常接近实现工业化所需的目标。然而，要真正实现这一市场准入，包装是下一个目标。”

由于钙钛矿太阳能电池可以沉积在柔性基板上，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，例如为无人机提供动力。

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