质子辐照下钙钛矿太阳能电池的空间应用潜力：基于CsPbI3的多物理场仿真研究

本文通过集成SCAPS-1D、SRIM/TRIM和TALYS多物理场仿真平台，系统评估了全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池（PSC）在空间质子辐照环境下的性能演化。研究揭示了低能质子（0.05–0.1 MeV）在钙钛矿层内引发陷阱辅助复合的机制，同时验证了高能质子（0.5–1 MeV）对界面结构的长期影响，为空间光伏器件的辐射耐受性设计提供了创新方法论。

　　

Highlight

探索质子束与钙钛矿太阳能电池（PSC）的动态相互作用，为空间应用评估其辐射耐受性。研究通过SCAPS-1D仿真优化CsPbI₃薄膜厚度、带隙、体缺陷浓度等参数，将AM0空间光照下的效率从18.21%提升至19.69%。SRIM/TRIM计算表明，低能质子（0.05–0.1 MeV）易被钙钛矿层俘获，加剧陷阱辅助复合并降低电荷提取效率；而高能质子（0.5–1 MeV）可穿透至器件深层，对界面产生潜在长期影响。TALYS 2.0模拟显示辐照产生的放射性核素活度极低，可忽略不计。

Results and discussion

图1a展示了FTO/ETL/吸收层/HTL/Au的平面器件结构。TiO₂作为电子传输层（ETL），spiro-OMeTAD作为空穴传输层（HTL）。能级图（图1b）显示TiO₂/CsPbI₃界面适宜的导带偏移促进电子传输，而CsPbI₃/spiro-OMeTAD界面的价带偏移优化空穴转移。厚度优化表明CsPbI₃层在600 nm时实现最佳效率，缺陷密度降至10¹⁵ cm^?3时可显著抑制非辐射复合。温度模拟揭示器件在太空极端温差下（-80°C至80°C）仍保持稳定性。

Conclusion

本研究证实CsPbI₃基太阳能电池在空间质子辐照环境下具有优异耐受性。优化后的器件在AM0和AM1.5光照下分别实现19.69%和21.28%的效率，凸显其天地应用潜力。仿真表明CsPbI₃厚度、陷阱态密度和运行温度是效率关键参数，多物理场框架为辐射耐受型PSC设计提供了可靠方法论。