月球光伏新纪元：基于月壤与钙钛矿的可持续能源解决方案

本文提出了一种革命性的月球光伏技术，通过原位资源利用（ISRU）将月壤转化为"月球玻璃"（moonglass）作为基底，结合卤化物钙钛矿（halide perovskites）太阳能电池，实现了99%的运输质量节省和22-50 W/g的功率质量比。该方案克服了传统太空光伏（PV）的辐射防护与轻量化矛盾，为未来月球基地提供了高性价比、高稳定性的能源解决方案。研究证实，钙钛矿在月球玻璃上可实现23%的转换效率（PCE），且二者均展现出卓越的质子辐射耐受性（68 MeV质子辐照后效率保持99.6%）。

　　

月球光伏技术：月壤与钙钛矿的完美联姻

背景与挑战
月球基地的能源需求催生了对高效光伏技术的迫切需求。传统方案需从地球运输大量太阳能电池，成本高达100万欧元/千克。现有太空光伏如III-V多结电池虽效率超30%，但功率质量比仅50-300 W/kg（组件级），且薄封装无法抵御月球极端辐射环境。

创新解决方案
研究团队提出"月球玻璃/钙钛矿"混合策略：

1. 月壤变玻璃：选用高地月壤模拟物TUBS-T（含48.7 wt% SiO₂、30.3 wt% Al₂O₃），经1550°C熔融制成2 mm厚透明玻璃，透光率达44%（700 nm）。相比低地月壤模拟物TUBS-M（透光率0%），其低铁含量（1.05 wt% FeO）减少光吸收。
2. 钙钛矿适配性：Cs_0.05(MA_0.02FA_0.98)_0.95Pb(I_0.98Br_0.02)₃钙钛矿在月球玻璃上呈现31 nm晶粒尺寸，微应变仅0.13%，光致发光量子产率（PLQY）达2.1%，伪效率潜力24.9%，与普通玻璃相当。

器件性能突破

• 超构设计：采用ITO/Meo-2PACz空穴传输层和Cu背电极，实现8.6% AM0效率。
• 透明电极优化：
  • 1 nm Cu/10 nm Ag/20 nm MoO₃超薄金属电极：EQE 63%，效率9.4%
  • 150 nm IZO透明电极：EQE提升至88%，效率12.3%
• 厚度影响：模拟显示0.1 mm月球玻璃透光率>80%，理论效率可达21.5%（AM0）。

辐射耐受性奇迹
68 MeV质子辐照（2×10¹² p⁺/cm²）测试揭示：

• 月球玻璃几乎无着色（效率保持99.6%），优于普通玻璃（1 mm厚剩余82%）。
• 机制解析：月壤中1%铁杂质（Fe²⁺/Fe³⁺）类似铈的电荷缓冲作用，抑制色心形成。

技术经济优势

• 运输节省：1 kg钙钛矿前驱体+1.12吨月壤可生产400 m²电池，质量比传统方案低99%。
• 能量回报：钙钛矿制备能耗0.15-0.4年，仅为硅电池（1-2.5年）的1/6。
• 规模化阈值：3吨设备即可支持3 MW产能，满足200人基地需求（参照国际空间站ISS功耗）。

未来展望
该技术规避了月壤提纯硅的苛刻工艺（需ppb级纯度），通过简易太阳能熔炉即可实现规模化生产。结合磁选降低铁含量、优化透明电极，效率有望突破23%。月球玻璃/钙钛矿的组合为人类地外定居提供了最具可行性的能源蓝图。