钙钛矿太阳能电池效率达26.1%，重量轻、抗辐射，适合航天应用

钙钛矿太阳能电池效率达26.1%，重量轻、抗辐射，适合航天应用

2024年10月，北京航空航天大学罗德映教授团队在《Nature》发表重要研究成果，通过创新工艺技术将钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至26.1%，这一突破性进展再次引发了人们对钙钛矿太阳能电池在航天领域应用前景的关注。

钙钛矿太阳能电池是一种新型光伏技术，其核心材料是金属卤化物钙钛矿，具有优异的光电性能和环境适应性。与传统的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有以下显著优势：

1. 更高的光电转换效率：钙钛矿材料具有理想的带隙宽度和优异的光吸收能力，能够更高效地将太阳光转化为电能。目前实验室最高效率已突破26%，接近传统硅基电池的理论极限。

2. 更轻的重量：钙钛矿太阳能电池的厚度仅为传统硅基电池的1/100，这使得其重量大大减轻，对于发射成本高昂的航天器来说，这一优势至关重要。

3. 更好的柔性：钙钛矿材料具有良好的柔韧性，可以制成柔性太阳能电池，便于在航天器上安装和展开。

4. 更低的成本：钙钛矿材料的制备工艺简单，可以在较低温度下进行，大大降低了生产成本。

5. 优异的环境适应性：钙钛矿材料在极端条件（高能粒子辐照和高低温快速转变）下表现出出色的稳定性，非常适合太空环境。

太空环境对太阳能电池提出了严苛的要求，包括高能粒子辐射、极端温度变化和真空环境等。钙钛矿太阳能电池在这些方面都展现出了令人印象深刻的表现。

• 抗辐射能力：美国密歇根大学的研究显示，用小分子有机物制成的钙钛矿太阳能电池在遭受相当于近地轨道三年剂量的辐射后，性能依然保持稳定。相比之下，有机聚合物材料制成的太阳能电池虽然在辐射后性能下降严重，但加热到100摄氏度左右就可以修复。在太空中，电池板朝向太阳时能够达到这个温度，有助于恢复电池性能。

• 温度适应性：钙钛矿太阳能电池在高温下仍能保持良好的性能，适合太空环境中温度变化剧烈的工况。

• 真空环境稳定性：钙钛矿材料在真空环境下表现出良好的化学稳定性，不易发生性能衰退。

目前，钙钛矿太阳能电池在航天领域的研究正处于快速发展阶段。国际上，美国、欧洲和中国都在积极布局相关研究项目。

• 中国：除了北航的研究成果外，中国科学院、清华大学等机构也在积极开展钙钛矿太阳能电池的研究。中国在钙钛矿太阳能电池领域的专利申请数量已位居世界前列。

• 美国：美国国家航空航天局（NASA）和一些高校研究机构正在探索钙钛矿太阳能电池在航天器上的应用。美国能源部也资助了多个相关研究项目。

• 欧洲：欧洲空间局（ESA）对钙钛矿太阳能电池表现出浓厚兴趣，多个研究项目正在推进中。

钙钛矿太阳能电池在航天领域的应用前景广阔，但也面临一些挑战：

• 技术成熟度：尽管实验室效率很高，但钙钛矿太阳能电池的长期稳定性仍需进一步验证。特别是在太空环境下，其长期可靠性需要更多实测数据支持。

• 商业化前景：随着技术进步和规模效应的显现，钙钛矿太阳能电池的成本优势将进一步凸显。预计未来5-10年内，钙钛矿太阳能电池将在航天器电源系统中占据重要地位。

• 潜在市场空间：随着太空探索活动的增加，对高效太阳能电池的需求将持续增长。钙钛矿太阳能电池有望在卫星、深空探测器、空间站等多个应用场景中发挥作用。

• 技术挑战：如何在保持高效率的同时提高长期稳定性，是当前研究的重点。此外，如何实现大规模、高质量的钙钛矿薄膜制备也是产业化面临的重要挑战。

钙钛矿太阳能电池凭借其独特的优势和优异的性能，正在成为航天器能源系统的重要发展方向。随着技术的不断进步和研究的深入，我们有理由相信，这种新型太阳能电池将在未来的太空探索任务中发挥关键作用。