面向太空应用的钙钛矿光伏：极端温度循环下界面与晶界协同强化的高可靠性方案

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高效率、低成本以及轻量化潜力，在新一代光伏技术中占据重要地位。然而，在反复极端温度变化环境（如航天应用或高加速应力测试）下，其长期稳定性仍面临挑战。美能光热真空试验箱打破传统单一环境测试的局限，实现三大实验条件的协同控制与精准耦合，完美复现太空轨道中光伏组件的真实工作环境。

温度循环过程中，不同材料层之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会引发周期性应力积累。例如，玻璃基底、ITO电极与钙钛矿层之间存在显著CTE差异，导致应力集中在晶界与界面区域，进而引发裂纹、分层及性能衰退。尤其是在类似低地球轨道（LEO）环境中，器件需承受频繁且剧烈的温度波动，这对钙钛矿器件的机械与结构稳定性提出了更高要求。

研究思路：双重分子增强策略

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a示意图：有/无聚硫辛酸时，钙钛矿多晶在晶界处的热行为差异。b硫辛酸的热聚合及其双重作用：缺陷钝化（1）和聚合物链间氢键（2）。c探针型纳米力学成像原理：1-钙钛矿晶粒，2-富聚硫辛酸的晶界。d空穴传输层界面处的粘附力分布图

针对热疲劳问题，本文提出一种“晶界+界面”双重强化策略：

晶界强化（Bulk）：在钙钛矿前驱体中引入α-硫辛酸（LA），利用其在退火过程中的原位聚合能力，增强晶界连接与机械韧性；

界面强化（Interface）：在ITO/钙钛矿界面引入LA衍生分子（DHLA、DMSLA），配合自组装单分子层（SAM），提升界面黏附强度与电学匹配。

同时，构建了−80 °C 至 +80 °C 的极端温度循环测试体系，用于系统评估器件热疲劳行为。

晶界调控：原位聚合提升结构稳定性

LA在热退火过程中发生开环聚合，优先分布于晶界区域，而非进入晶格内部。这一过程带来两方面作用：

化学钝化：羧酸基（–COOH）通过氢键及配位作用，与Pb²⁺及钙钛矿八面体相互作用；

机械增强：聚合形成的网络结构提升晶界连接强度，减少缺陷传播。

多种表征结果（XPS、FTIR、NMR等）均验证了LA与钙钛矿之间的相互作用及其聚合行为。AFM纳米力学测试显示：

DHLA：晶界黏附力提升 >50%

DMSLA：提升约40%

LA：提升有限

说明聚合结构与功能基团类型共同决定晶界强化效果。

界面工程：分子结构调控黏附与能级

a：4PADCB与三种连接分子在ITO/钙钛矿界面形成空穴传输层接触b：拉脱测试装置示意图c：最大粘附强度；d：对应的应力值（均取各组最高值）e：DFT计算得到的钙钛矿-连接分子相互作用能f：分子与钙钛矿的相互作用图示

在ITO/钙钛矿界面，通过SAM（4PADCB）与不同LA衍生物协同修饰，实现界面优化：

LA：二硫键结构

DHLA：巯基（–SH）

DMSLA：磺鎓阳离子（–S⁺）

界面黏附增强

拉脱测试表明：对照组：3.61 MPa、DMSLA：4.89 MPa（最高），说明磺鎓结构可显著增强界面结合强度。

分子作用机制（DFT）

计算结果显示：DMSLA具有最强界面相互作用能、显著增强界面电荷转移、形成更强电子耦合。

能级匹配优化

UPS分析表明：DMSLA引入后，ITO功函数发生下移、与钙钛矿价带能级差减小（约0.25 eV）、从而促进空穴提取与载流子输运。

薄膜质量与形貌优化

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引入LA及其衍生物后：

晶粒尺寸增大

结晶性提升

薄膜更加致密（无针孔）

说明添加剂不仅改善界面，还调控晶体生长过程，提升整体薄膜质量。

器件性能提升

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a：器件结构示意图b：慕尼黑大学最佳器件的J-V曲线与参数c：天津大学最佳器件结果（插图为稳态PCE）d：UPS测得的ITO/SAM与钙钛矿的相对能级e：基于PL的隐含开路电压（iVoc）全器件面成像f：Voc与FF的统计分布

最优器件结构中（DMSLA界面 + LA体相）：PCE：25.21%（LMU） / 25.98%（天津大学）、Voc：1.16 V、Jsc：≈26 mA cm⁻²、FF：0.83–0.85。

性能提升来源于：界面与晶界双重缺陷钝化、能级匹配优化、载流子复合减少。

PL/TRPL测试也证实了载流子寿命延长与复合降低。

热疲劳稳定性分析

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a：热循环温度曲线及16次循环中器件参数的演变b：代表性器件在热循环前后、1倍太阳光下的J-V曲线c：对照器件归一化FF对循环时间/次数的等高线图d：在AM0近似光照（~1360 W/m²）下的J-V曲线e：封装器件在45±5°C、70±10% RH、1倍太阳光下MPPT结果

在 −80 °C +80 °C 循环条件下：

DMSLA器件：16次循环后保留84%效率

对照组：79%

LA：64%，DHLA：72%

性能衰减主要来源于：填充因子（FF）下降（主导因素）、Voc、Jsc变化较小。此外研究发现：退化与“热暴露时间”相关性更强，而非循环次数本身。说明热疲劳本质是累积应力驱动的界面与电阻损失问题。

分子级缓冲系统

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该策略可理解为一个“分子级缓冲系统”：

晶界层面：聚合网络吸收应变、抑制裂纹扩展

界面层面：强化化学键合、避免分层

整体效果：缓解热膨胀失配引起的机械疲劳

其中，DMSLA兼具：强界面结合、高化学稳定性、优异电子耦合，因此表现出最佳综合性能。

在极端温度循环环境下，钙钛矿太阳能电池面临严重的热疲劳与界面失效问题。本文围绕−80°C至80°C循环条件，系统研究热膨胀系数失配对器件稳定性的影响，并提出“晶界+界面”双重分子强化策略。通过引入α-硫辛酸（LA）及其衍生物，实现晶界原位聚合与界面黏附增强，有效抑制填充因子衰减与结构退化。器件效率达到25%以上，并在多次极端温度循环后保持84%性能。该研究为航天光伏、空间能源系统及高稳定性钙钛矿器件提供了重要理论与技术支撑。

美能光热真空试验箱

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美能光热真空试验箱实现光照、温度、真空三大条件的协同控制，真实复现低轨太空环境。适用于钙钛矿、硅基及III-V族太阳能电池在极端空间下的性能评估与可靠性验证。

• 太阳光模拟：AM0太空光谱，AAA等级，模拟紫外短波辐射
• 温度控制：-70℃/-80℃（可选-175℃）至+150℃，支持冷板、气氮等多种方式
• 高真空：可达8.0×10⁻⁵ Pa 或 5.0×10⁻⁵ Pa

美能光热真空试验箱可精准评估钙钛矿、硅基及III-V族太阳能电池在空间极端环境下的性能与可靠性，重点服务于热冲击、热疲劳及紫外老化等测试需求，为航天光伏器件的工艺优化与寿命预测提供核心检测支撑。