新南威尔士最新AEL：钙钛矿电池抗辐射稳定性的氧化铈优化策略与性能表征

钙钛矿太阳能电池因高效率与缺陷容忍性成为新一代光伏技术的重要候选，但其在太空等高辐射、极端环境下的长期稳定性面临严峻挑战，质子辐射易引发钙钛矿晶格结构损伤、有机组分降解及缺陷态形成，导致电池性能严重衰退。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

本研究提出一种氧化铈（CeOₓ）与正辛基碘化铵（OAI）协同的“双钝化”后处理策略。氧化铈凭借其高位移能、氧化还原活性及辐射屏蔽特性，可有效抑制质子辐照诱导的空位形成与化学键断裂，同时增强晶界稳定性与结晶质量；OAI则优化界面能级对齐，提升空穴提取效率并降低非辐射复合。该复合处理使电池在保持高效率的同时，显著提升了其在质子辐照、持续光照及湿热条件下的耐久性，为发展适用于太空等恶劣环境的耐辐射钙钛矿光伏技术提供了有效途径。

研究思路与材料设计

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受太空组件辐射屏蔽盖板材料启发，本研究将氧化铈引入钙钛矿活性层。氧化铈具有高原子序数、高键能及抗辐照的萤石结构，但其n型特性可能与传统p型空穴传输层形成不利能带偏移。

为此，我们同步引入具有p型特性的正辛基碘化铵作为共钝化剂，调控界面能级、促进空穴提取。两者结合形成的“OC处理”可协同钝化晶界与表面，平衡界面电学性质，从而实现更高效的电荷收集与更低的复合损失。

模拟分析与材料制备

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(a) 0.05 MeV质子能量的SRIM/TRIM模拟结果。(b) 总空位数与(c) 氢空位数随铈浓度的变化关系。(d-f) 不同CeOₓ比例下，空间环境信息系统模拟的(d) 非电离能量损失、(e) 电离能量损失及(f) IEL/NIEL比值随粒子能量的变化关系

通过SRIM模拟质子与钙钛矿的相互作用，发现0.05 MeV质子在钙钛矿层中产生显著空位，适合模拟空间辐射环境。进一步模拟表明，随着铈含量增加，总空位及氢空位数量明显下降，说明铈具有抑制辐照缺陷的作用。非电离与电离能量损失分析也证实，氧化铈掺入可减轻质子导致的晶格损伤与电离效应。

在材料制备方面，采用溶液后处理法将CeOₓ纳米颗粒与OAI共分散于异丙醇中，旋涂于钙钛矿薄膜表面并退火。ToF-SIMS深度分析表明铈离子在吸收层内均匀分布。结构表征显示OC处理薄膜结晶度提高，晶格略有收缩，XPS结合能位移说明CeOₓ可能与晶界处未配位的Pb²⁺、I⁻产生静电协调作用。

光电性能与稳定性

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(a) 钙钛矿器件结构示意图，展示了在钙钛矿层上的OAI、CeOₓ及OC处理层。(b) 飞行时间二次离子质谱分析结果。(c) 不同处理条件下（参比、CeOₓ、OAI、OC）的稳态光致发光PL谱。(d) 参比、CeOₓ、OAI及OC样品在反向扫描下的J-V曲线。(e) 不同处理条件下钙钛矿太阳能电池器件的EQE谱。(f) 参比、CeOₓ、OAI及OC样品的最大功率点跟踪稳定性测试结果

光电测试表明，OC处理电池在反向扫描中获得最佳性能：VOC=1.19 V，FF=82.3 %，PCE=24.9 %。

稳态与时间分辨光致发光PL显示OC样品具有最高的发光强度与载流子寿命（207.5 ns），证实氧化铈与OAI在抑制非辐射复合方面具有协同效应。

外量子效率EQE在全光谱范围内均获提升。

稳定性方面，最大功率点MPPT跟踪测试显示OC电池在持续光照1050小时后仍保持83%的初始效率，显著优于参比样品。

湿热测试中OC电池也表现出更长的寿命维持。开尔文探针力显微镜分析表明，OC处理能优化表面电势分布，有利于电荷提取。

质子辐照耐受性分析

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(a, b) 不同质子注量下，参比与OC钙钛矿薄膜的PbI₂及(100)晶面XRD图谱。(c) 水分、光照、热量及质子辐照诱导钙钛矿结构降解的机制示意图。(d, e) 注量为2×10¹⁴ p/cm²时，参比与OC样品的表面SEM图像；(f, g) 注量为2×10¹⁵ p/cm²时的表面SEM图像。(h, i) 注量为2×10¹⁴ p/cm²时，参比与OC样品的截面SEM图像；(j, k) 注量为2×10¹⁵ p/cm²时的截面SEM图像

对OC与参比样品进行系统质子辐照实验（0.05 MeV，注量2×10¹²–2×10¹⁵ p/cm²）。XRD分析表明，随着注量增加，参比样品钙钛矿（100）衍射峰逐渐宽化、强度降低，而OC样品在2×10¹⁴ p/cm²注量以下仍保持较高结晶完整性。SEM结果显示OC样品表面孔洞和体层空洞形成更少、更晚。

(a) 参比与(b) OC样品在质子辐照前后C≡N键的傅里叶变换红外光谱波数位移。(c) 参比与(d) OC样品在质子辐照前及经历2×10¹²至2×10¹⁵ p/cm²注量辐照后的N 1s XPS谱

FTIR与XPS分析揭示，辐照后参比样品中C≡N键发生蓝移，N 1s谱出现质子化胺信号，表明有机阳离子受损；而OC样品化学键变化显著较小，说明氧化铈有助于维持有机组分的结构完整性。

(a, b) 参比与OC样品的时间分辨光致发光结果。(c) 稳态光致发光结果，比较了辐照与非辐照样品的ΔPLMAX/PLMAX辐照前比值。(d) 接触电势差随不同质子辐照注量水平的变化。(e) 质子辐照诱导晶界损伤的示意图。(f) 质子辐照影响下晶界处能带弯曲的示意图

(a) 质子辐照后钙钛矿太阳能电池结构示意图，展示了PTAA与金电极的沉积。(b) 不同质子辐照注量下，参比与OC样品的剩余效率参数。(c) 不同质子辐照注量下，OC与参比样品的归一化参数比值。(d, e) 不同质子辐照注量下，参比与OC样品的外量子效率谱

电学性能方面，OC电池在2×10¹⁴ p/cm²注量下效率仅下降约19%，远低于参比电池的25%降幅，各参数（JSC、FF、VOC）的下降幅度均更小。空间电荷限制电流测试进一步证实，OC样品在辐照后的陷阱态密度增加更少。

本研究通过OAI辅助后处理将氧化铈纳米颗粒成功整合至钙钛矿吸收层，构建了双重钝化体系。该策略在提升电池效率的同时，显著增强了其在质子辐射、持续光照及湿热条件下的稳定性。机理研究表明，氧化铈不仅能抑制辐照引起的结构损伤与化学降解，还能协同OAI优化界面能带与电荷传输动力学。该工作为发展适用于太空等极端环境的高耐受性钙钛矿光伏技术提供了有效的材料解决方案，并指明了通过高Z氧化物掺杂实现界面辐射防护的未来研究方向。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度≤2s，漏检率< 0.1%；误判率< 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

原文参考：Cerium Oxide Incorporation for Radiation Tolerance and Stability in Perovskite Solar Cells

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