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，成為空間光伏領域備受關注的技術方向。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)遠超地面IEC 61215標準(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，導致其潛在的熱致失效模式(如相變、微應變累積)被嚴重低估。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，能達到快速升溫降溫，提升測試效率，滿足IEC 61215等標準。

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?摻入量來提升結構穩(wěn)定性。結果顯示5 % MAPbBr?能最有效抑制微應變和非光活性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，又具備任務相關性。

(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鍵。衛(wèi)星進出地球陰影時，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?進行的分子動力學模擬(a)結構長度和角度(b)結構形態(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)熱沖擊前后微應變的比較

FAPbI?鈣鈦礦具有優(yōu)異的光電轉換效率潛力，但其光活性α相在室溫下易轉變?yōu)榉枪饣钚缘摩南?，需要引入穩(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，增強結構穩(wěn)定性。

分子動力學模擬顯示，在-80°C低溫下，FAPbI?晶格結構緊湊，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，表明熱應力可導致晶格結構紊亂。

實驗結果表明，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。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。盡管存在晶粒細化，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)的結構耐受性。Williamson-Hall分析也證實，5%樣品在熱沖擊后微應變增加最小。

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)后晶粒轉變?yōu)閺秃衔稽c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構穩(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，說明其對熱應力誘導的陷阱態(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結構制備的太陽能電池，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。

高空氣球驗證

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(a)進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(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

為驗證實驗室結果在真實近空間環(huán)境下的適用性，研究團隊于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標準，是模擬空間環(huán)境的理想平臺。

測試結果顯示，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%樣品存在嚴重的非輻射復合損失。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隨高度的變化進一步證實，5%樣品在近空間多應力環(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用的鈣鈦礦太陽能電池熱沖擊評估框架，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6.77°C/分鐘）與地面測試標準存在顯著差異，因此提出了更為嚴苛的加速測試協(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80%，顯著優(yōu)于1%摻入量樣品的62%。35公里高空氣球測試進一步驗證了5%樣品在低氣壓、近AM0輻照等多應力環(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計與評估提供了方法學基礎，未來需進一步關注界面熱應力匹配問題，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)境試驗箱采用進口溫度控制器，能夠實現(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℃）

滿足試驗標準：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測標準

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鍵測試條件，為其商業(yè)化應用提供了扎實的實驗依據(jù)。