基于耐辐射柔性基底实现γ射线高耐受的超薄钙钛矿太阳能电池

《Solar RRL》：Ultrathin Perovskite Solar Cells With γ-Ray Tolerance Enabled by a Flexible Radiation-Resistant Plastic Substrate

本研究针对柔性超薄钙钛矿太阳能电池（PSC）在空间应用中的γ射线辐射耐受性难题，创新采用parylene/SU-8复合基底，成功制备出4 μm厚器件，在890 krad(Si)高剂量辐照下仍保持99%初始效率，为下一代空间光伏技术提供了关键材料解决方案。

　　

随着航天科技的飞速发展，人类对太空的探索日益深入，从近地轨道卫星到深空探测器，均离不开稳定可靠的能源供给。在众多空间能源中，太阳能因其取之不尽、用之不竭的特性，成为航天器的主力能源。然而，严酷的空间环境，特别是高能粒子辐射，对太阳能电池的耐久性提出了极高要求。传统的硅基太阳能电池在遭遇高剂量辐射后，往往会出现明显的性能衰减，这限制了其在长期深空任务中的应用。因此，开发兼具高功率转换效率（PCE）与卓越辐射耐受性的新型太阳能电池，成为空间能源领域亟待突破的瓶颈。

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）以其高效率、低成本和可溶液加工的独特优势，在地面光伏市场展现出巨大潜力。更令人振奋的是，研究表明，刚性结构的钙钛矿电池对质子、电子及γ射线均表现出优于传统硅电池的耐受性，使其被视为下一代空间光伏的有力竞争者。然而，航天器对能源系统的要求不仅在于效率，还极其苛刻地追求“轻量化”和“柔性化”。例如，大型可展开太阳翼、太阳能无人机或柔性卫星表面，迫切需要一种既轻薄如纸、可弯曲折叠，又能抵御太空辐射的电池技术。

遗憾的是，尽管刚性钙钛矿电池的辐射性能已被广泛研究，但其“柔性版本”——尤其是总厚度小于10 μm的“超薄柔性钙钛矿电池”——在辐射环境下的表现却鲜有关注。这并非科学家们的疏忽，而是因为此类器件通常构建在塑料基底上。问题恰恰出在这里：当遭遇高剂量γ射线（一种高能电磁波，能引起材料电离损伤）时，常规的塑料基底（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚萘二甲酸乙二醇酯PEN）会发生严重的“辐射染色”（即材料变黄、透光率下降）和机械性能劣化。这种由基底“拖后腿”导致的性能衰减，使得超薄柔性电池的辐射耐受性研究陷入困境。能否找到一种在光学和机械性能上都“不怕”γ射线的基底材料，成为解锁超薄柔性钙钛矿电池空间应用的关键。

针对这一挑战，发表在《Solar RRL》上的这项研究给出了令人惊喜的答案。研究团队成功开发了一种基于parylene/SU-8复合柔性基底的4 μm厚超薄钙钛矿电池，该器件在承受高达890 krad(Si)（硅等效吸收剂量）的γ射线辐照后，奇迹般地保留了99%的初始效率，展现出前所未有的总电离剂量（TID）耐受性。

关键技术方法

研究团队首先通过化学气相沉积与旋涂工艺制备了辐射稳定的parylene/SU-8复合柔性基底，随后在其上采用低温（≤150°C）溶液法制备了n-i-p结构（ITO/SnO₂/FAPbI₃/spiro-OMeTAD/Au）的钙钛矿器件，并通过顶部parylene封装实现了独立式超薄器件。为评估性能，他们对超薄器件与刚性玻璃基底参照器件进行了⁶⁰Co γ射线阶梯剂量辐照实验（0-890 krad(Si)），并综合运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）及力学拉伸测试，系统分析了基底与钙钛矿活性层的化学、结构与机械性能演化。

2.1 超薄钙钛矿太阳能电池的构筑

为了获得兼具柔性与高性能的器件，研究团队选择了独特的材料组合与结构设计。他们将器件制备在仅1.5 μm厚的parylene/SU-8复合塑料基底上，形成了ITO/SnO₂/FAPbI₃/spiro-OMeTAD/Au的n-i-p型结构。其中，甲脒铅碘（FAPbI₃）作为光吸收层，因其优异的光电性能；而SnO₂纳米粒子电子传输层的制备温度适中（约150°C），完美匹配了parylene/SU-8基底250°C的热稳定性上限，避免了高温加工对柔性塑料基底的破坏。最终，这种精巧设计使得独立式（无玻璃支撑）的超薄电池在1个太阳光照（AM 1.5G）下，实现了高达15.2%的冠军效率，证明了超薄结构本身的高性能潜力。

2.2 γ射线辐照耐受性对比

真正的考验来自于γ射线辐照实验。研究团队将超薄柔性电池与传统的刚性玻璃基底电池置于⁶⁰Co源下，接受了高达890 krad(Si)的辐照剂量。结果呈现出戏剧性的差异：

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  表观与基底影响：刚性玻璃电池的基底出现了明显的“染色”和透光率下降，直接导致器件短路电流密度（J_SC）从24.3 mA/cm²降至21.3 mA/cm²，效率仅剩初始值的87%。相比之下，超薄电池的parylene/SU-8基底在辐照后依然清澈透明，无可见损伤。
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  性能稳定性：虽然超薄电池的J_SC在辐照初期（89 krad）有所下降（从23.1降至19.7 mA/cm²），但在更高剂量（890 krad）下稳定在20.7 mA/cm²。更为关键的是，其填充因子（FF）从0.59显著提升至0.65，这种“失之东隅，收之桑榆”的现象补偿了电流损失，使得最终效率维持在初始值的99%左右。这表明，通过采用耐辐射基底，器件性能的衰减主要源于钙钛矿层自身的本征响应，而非基底的“拖累”。

2.3 基底的辐射稳定性机制

为什么parylene/SU-8基底如此“坚挺”？深入的材料表征揭示了其内在机制。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，即使经过高剂量辐照，parylene薄膜的特征官能团峰位并未发生明显变化，说明其化学结构极其稳定，未发生严重的交联或降解。在光学性能上，SU-8薄膜的平均透光率保持稳定，而parylene仅在紫外区（300-350 nm）有轻微吸收，可见光区透光率保持95%以上。更有趣的是力学性能：与许多聚合物辐照后变脆不同，parylene薄膜表现出“软化”特性，其断裂伸长率从0.6增加至0.7，杨氏模量从530 MPa降至339 MPa，这意味着器件在辐照后反而更耐弯曲和形变，这对于需要反复展开/收拢的太空应用至关重要。

3 讨论：性能损失的来源与补偿

既然基底是稳定的，那么超薄电池中观察到的J_SC损失从何而来？研究团队通过扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）发现，γ射线辐照诱发了钙钛矿活性层内部的微观变化。FAPbI₃薄膜表面出现了白色的PbI₂颗粒，且随着剂量增加，PbI₂和光电性能较差的δ相FAPbI₃的衍射峰增强。这种“相分离”现象减少了光生载流子的有效收集，是导致电流下降的主因。然而，与此同时，辐照可能改善了界面接触或载流子传输动力学，从而意外提升了填充因子（FF）。这一发现表明，未来的研究重点应进一步聚焦于钙钛矿层本身的辐射稳定性优化，例如通过组分工程或界面钝化来抑制相分离。

结论与展望

这项研究成功地打破了柔性基底在辐射环境下的性能瓶颈。通过采用光学透明、机械柔韧且化学稳定的parylene/SU-8复合基底，研究者实现了在890 krad(Si)极高γ射线剂量下仍保持99%初始效率的超薄（4 μm）柔性钙钛矿太阳能电池。该工作不仅提供了一种耐辐射柔性基底的选择方案，更重要的是，它将超薄柔性钙钛矿电池的适用场景从地面可穿戴设备扩展至严酷的空间环境，为未来太阳能无人机、轻量化卫星及深空探测器的能源系统提供了极具竞争力的技术路径。随着后续研究进一步解决钙钛矿层本征的相分离问题，超薄柔性钙钛矿电池有望成为真正意义上的“空间能源革命者”。