《先进材料》报道我校参与联合团队钙钛矿光伏面向空间应用的研究进展

2021年04月19日 17:06  点击:[]

近期,由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组成的三校(院)联合研究团队,系统总结了钙钛矿太阳能电池在空间多种极端环境因素(包括电子辐射、质子辐射、紫外线辐照、伽玛射线辐射、高真空光照、高低温循环等)下的稳定性情况以及空间飞行试验任务,讨论了钙钛矿太阳能电池面向空间应用面临的挑战,同时对此方向进行了系统展望。相关成果以“Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges”为题发表在Advanced Materials(《先进材料》)上,该工作以西北工业大学为第一单位。

我国“十四五”规划纲要明确提出强化发展“空天科技”等多项空间科技前沿领域。在“空天科技”领域研究中,需要大力发展空间能源技术,以保证各种航空和航天器的平稳、持久可靠飞行。太阳能电池作为重要的供能装置是应用最为普遍的空间能源技术之一。近年来,钙钛矿太阳能电池迅速崛起,目前已获得25.5%的认证效率,不断逼近异质结硅基太阳能电池的最高认证效率(26.7%),成为最具应用潜力的可再生能源技术之一。与硅基和砷化镓太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池具有几点显著的优势。第一,成本优势。采用价格低廉的钙钛矿材料作为吸光层,其制备成本显著低于晶硅和砷化镓。第二,柔性优势。钙钛矿材料在器件中通常以厚度为亚微米级别的薄膜形式存在,适合构建柔性器件,从而可以充分利用载体的弯曲表面空间。第三,高能质比优势。对于载荷能力有限的飞行载体,能源装置需要具有较高的能质比。钙钛矿太阳能电池自身质量较轻,能质比较高。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)。第四,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。基于以上优势,钙钛矿太阳能电池有望发展成为新一代空间光伏技术。


(以太阳能电池为主要能源动力的各种航空和航天器,以及空间环境中影响钙钛矿太阳能电池性能的主要因素)


人类开发了多种航空和航天飞行器,用于探索和认知宇宙空间。这些飞行器大多采用太阳能电池技术为其正常运行提供源源不断的动力。宇宙空间环境区别于地面环境,其具有明显的极端环境因素。以距地面35公里的空间为例,其具有以下特征:高真空、强紫外太阳光照、极端温度、高能粒子辐射等等。这种极端的临近空间环境对钙钛矿太阳能电池的稳定性提出了新的挑战。相比于成熟的晶硅和砷化镓太阳能电池,钙钛矿太阳能电池具有明显的优势。

前期,三校(院)联合研究团队于2018年8月在我国内蒙古地区进行太阳能电池高空科学气球标定试验。通过将钙钛矿太阳能电池负载在高空气球上,研究器件在距地面35公里的临近空间极端环境下稳定性情况。最终获得AM0辐照下器件维持其初始效率95%以上的稳定性数据。相关成果发表在Science China-Physics, Mechanisc&Astronomy(《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版)上。太阳能电池高空科学气球标定方法是国际通用的空间太阳能电池标定方法之一。

三校(院)联合研究团队将继续在基础研究、工程技术等领域开展面向空间应用的钙钛矿光伏技术研究,助推新型钙钛矿光伏技术的发展、助力我国对临近空间的开发。


文章链接:

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006545

2. https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-019-9356-1


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