钙钛矿太阳能电池运行的太空环境考量综述

钙钛矿太阳能电池凭借其高效率、轻质及带隙可调等优势，成为深空探测、大型空间能源系统的有力候选。然而，太空环境复杂多变，不同轨道与地外场所（如低地球轨道、月球、火星等）的环境压力差异巨大，严重威胁电池的长期稳定性与发电效能，必须针对具体任务剖面进行器件与封装设计。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC61215等标准。

本文系统综述了低地球轨道、地球同步轨道、月球、火星及星际空间等不同任务环境中，影响钙钛矿光伏电池性能与耐久性的关键因素，包括热循环、辐射、真空、原子氧、空间天气及机械应力，并为面向太空应用的设计与测试提供指导。

热环境与太阳辐照

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太阳系中相关行星体及轨道的环境温度范围（°C）与对应太阳辐照度（W/m²）

太阳能电池堆栈各组件达到机械失效前的热循环次数。插图为建模的光伏器件各层示意图

总体特性：钙钛矿电池对温度敏感，其电学性能（如开路电压、填充因子）随温度变化呈现与传统半导体不同的趋势。

LEO：经历频繁的日照-阴影交替，温度在约-80 °C至100 °C之间剧烈循环，对材料热匹配及涂层结合力构成考验。

GEO：辐射加热为主，存在每年两次的“食季”，温度循环幅度大（-196 °C至128 °C）。

月球：昼夜温差极大（约-180 °C至120 °C），月昼持续约14地球日。

火星：平均温度低（约-65 °C），大气稀薄，风速与灰尘影响电池温度。

星际空间（LILT）：辐照度极低、温度极低（如木星轨道约-125 °C至140 °C），但钙钛矿在此环境下表现出良好的电学稳定性。

电离辐射与等离子体效应

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基于空间环境信息系统（SPENVIS）模拟的年注量，作为（A）质子能量和（B）电子能量的函数

使用SPENVIS为一项15年地球静止轨道任务（基于AE-8 MAX模型轨道平均通量）生成的捕获电子能谱

任务结束时星际辐射剂量估算

辐射来源：包括银河宇宙射线、捕获辐射带粒子、太阳高能粒子事件等，可引起材料原子位移（NIEL）或局部电离加热（IEL）。

辐射耐受性：钙钛矿电池对质子、电子辐射显示出一定的耐受性甚至自修复能力，但现有航天光伏辐射测试标准（如AIAA S-111）需针对钙钛矿材料体系重新评估等效损伤剂量。

等离子体充电与电弧：尤其在LEO和GEO，高能电子撞击可导致航天器及电池阵充电，引发一次电弧或由光生电流维持的二次电弧，造成永久性损伤。设计时需控制串电压、采用封装或表面处理以抑制电弧。

真空效应

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行星表面的大气压力（单位：大气压，atm）

核心风险：放气——有机组分或吸附气体的释放，导致材料性能退化、污染光学表面。

影响：加速钙钛矿分解、相分离及离子迁移，缩短器件寿命。

对策：优化材料选择、采用空间级封装剂密封器件是缓解真空负面影响的关键。

原子氧侵蚀

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（A）原子氧与有机表面的基本相互作用示意图（B）原子氧密度随以下参数变化的函数：距地球（LEO）的高度和火星表面高度（黑色坐标轴），以及距木星（1 RJ = 69，911 km）的径向距离，针对木卫一和木卫二（红色坐标轴）

太阳周期引起的LEO（400公里圆轨道，倾角28.5度）中每年原子氧总含量的变化

危害：AO是LEO、火星高层大气及木星卫星附近的高活性物种，能氧化有机材料、侵蚀聚合物并粗糙化表面，严重降低光学与机械性能。

防护：使用致密的金属氧化物涂层（如SiOₓ）进行表面封装是最有效的防护手段。

空间天气与机械应力

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不同卫星轨道相对于地球及地球电子辐射带的位置关系

全球沙尘暴期间笼罩火星的雾霾

空间天气：包括太阳耀斑、地磁暴等，可引发强烈辐射增加及高层大气密度上升，影响轨道器件热控与充电状态。

月尘与火星尘：

月尘：带电且棱角尖锐，易附着并划伤电池表面，降低透光性与散热。

火星尘：全球性沙尘暴可遮蔽阳光数月，导致光伏输出下降超80%；灰尘静电吸附亦难避免。

机械应力：发射振动、在轨展开、微流星体撞击、月震等均要求电池及阵列具备足够的机械坚固性。钙钛矿器件中，有机传输层和ITO电极常是机械薄弱环节。

钙钛矿光伏在太空应用中前景广阔，特别适合大面积、轻量化、高电压及深空低辐照任务，但其实际部署必须解决一系列环境适应性问题。为实现可靠运行，需遵循三大策略：首先，进行任务特异性设计，针对目标环境中的热、辐射、原子氧、粉尘等因素优化材料体系、电池结构和封装方案；其次，开展系统级验证，通过地面模拟与组合环境测试，重点攻克电弧、充电效应和粉尘沉积等系统性问题；最后，持续加强基础研究，深入揭示钙钛矿在太空环境下的退化与自修复机制，这不仅能提升其空间耐久性，也将推动地面光伏技术的进步。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境，为钙钛矿光伏组件的可靠性评估提供了关键测试条件，为其商业化应用提供了扎实的实验依据。

原文参考：Space environment considerations for perovskite solar cell operations: A review

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