朱瑞、龚旗煌等综述钙钛矿光伏技术在空间环境中的应用

【字体: 时间:2021年05月02日 来源:北京大学新闻网

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  北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”朱瑞研究员、龚旗煌院士与西北工业大学涂用广副教授、黄维院士,中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员组成的三校(院)联合研究团队,系统总结了钙钛矿光伏电池在空间环境多种极端因素下的稳定性情况以及空间飞行试验任务,并讨论了钙钛矿光伏电池面向空间应用的挑战及展望。

  

近期,由北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”朱瑞研究员、龚旗煌院士与西北工业大学涂用广副教授、黄维院士,中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员组成的三校(院)联合研究团队,系统总结了钙钛矿光伏电池在空间环境多种极端因素(包括电子辐射、质子辐射、紫外线辐照、伽玛射线辐射、高真空光照、高低温循环等)下的稳定性情况以及空间飞行试验任务,并讨论了钙钛矿光伏电池面向空间应用的挑战及展望。相关成果以“Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges”为题发表在国际学术期刊Advanced Materials上。

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左:光伏技术在空间环境中的各种应用平台;右:空间环境中影响钙钛矿光伏电池性能的主要因素

为了探索和认知宇宙空间,人类开发了多种航空和航天飞行器,它们大多采用光伏电池技术作为能源供给系统为飞行器提供动力。其中典型代表有:太阳能飞机、平流层飞艇、国际空间站、地球同步卫星、“天问一号”火星探测器等。宇宙空间环境区别于地面环境,其存在大量极端环境因素,具体如下:

第一,高真空度。国际空间站所处空间的大气压约为10-5至10-6 Pa。

第二,强紫外光照。空间和临近空间环境真空度高,可吸收紫外线的臭氧含量稀少,从而使得太阳辐射强度高达136.7 mW/cm2且紫外线部分占比更高。

第三,极端温度。由于缺乏大气对辐射的阻挡和导热,空间和临近空间环境温差巨大。在阳光直射的情况下,航天器的温度可高达100~130°C,而在没有阳光的情况下,温度又低至-200~-150°C。

第四,高能粒子辐射。空间和临近空间环境还存在由宇宙射线和太阳耀斑产生的高能粒子射线(如电子、质子和伽玛射线等)。

以上临近空间的极端环境对钙钛矿光伏电池的稳定性提出了新的挑战。面对极端环境,空间光伏技术必须具有较高的光电转换效率、较高的能质比和长期的稳定性。文章综述了钙钛矿光伏材料与器件在以上极端环境中的表现,相比于晶体硅和砷化镓光伏电池,钙钛矿光伏电池具有独特优势。最后,文章对钙钛矿光伏技术在空间环境中面临的新挑战进行了总结,并展望了适用于空间环境的钙钛矿光伏技术发展方向。

本文的第一作者/共同第一作者为西北工业大学涂用广副教授、北京大学吴疆博士和中国科学院空天信息创新研究院徐国宁研究员。西北工业大学涂用广副教授、黄维院士和北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士为论文通讯作者。该工作得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、极端光学协同创新中心、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、西北工业大学、中国科学院空天信息创新研究院、中国科学院临近空间科学实验系统等单位的大力支持。

前期,三校(院)联合研究团队于2018年8月在我国内蒙古地区进行了光伏电池高空科学气球标定试验。将钙钛矿光伏器件负载在高空气球上,研究其在距地面35公里的临近空间极端环境下的稳定性情况。最终获得临近空间实际工作环境下器件维持其初始效率95%以上的稳定性数据。相关成果发表在Science China-Physics, Mechanisc&Astronomy(《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版)上,并被选为2019年第7期封面文章和2020年度优秀论文。

《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版62卷7期封面

我国“十四五”规划建议中提出,强化发展“空天科技”等多项空间科技前沿领域。在空天科技领域研究中,需要保证各种航空航天器的平稳飞行和持久作业,这将需要大力发展适用于空间环境的新型能源技术。三校(院)联合研究团队将继续在基础研究、工程技术等领域开展面向空间应用的钙钛矿光伏技术研究,助推新型钙钛矿光伏技术的发展,助力我国对临近空间的开发。

参考文献:

1. Perovskite Solar Cells for Space Applications: Progress and Challenges. Advanced Materials.Adv. Mater., 33, 2006545(2021).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006545

2. Mixed-cation perovskite solar cells in space. Sci. China Phys. Mech. Astron., 62, 974221 (2019).

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-019-9356-1

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