以下文章来源于知光谷 ，作者弥浪
第一作者：Ahmad R. Kirmani
通讯作者：Joseph M. Luther、Ahmad R. Kirmani
通讯单位：国家可再生能源实验室
研究亮点：
1. 在器件触点顶部蒸发1 μm厚的氧化硅层，在1015 cm−2的影响下阻挡0.05 MeV的质子，而不损失功率转换效率，这导致器件在低地球轨道上的寿命增加×20，在高椭圆轨道上的寿命增加×30。
2. 氧化硅保护Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3) (MA，甲基铵;FA，甲酰胺阳离子)和CsPbI2Br电池在水和N,N-二甲基甲酰胺中浸泡后存活。进一步提高了Sn-Pb和CsPbI2Br器件的耐湿性。
3. 器件还被发现在暴露于α辐照和原子氧时保持能量转换效率。
一、钙钛矿太阳能电池在太空应用存在的问题
金属卤化物钙钛矿是一种潜在的下一代空间光伏(PV)技术，与现有技术相比具有较高的抗辐射能力。目前，仍需要对许多钙钛矿太阳能电池结构和各种实现的所有空间应力源的硬度进行全面评估。与地面部署相比，太空环境带来了一系列完全不同的挑战。虽然暴露在天气，特别是潮湿，不是主要问题，但辐射、紫外线光子和原子氧构成了空间中的主要压力源，并导致半导体的原子缺陷和性能下降。然而，太空太阳能电池板在储存和发射阶段必须耐潮湿和氧气。传统上，笨重的包装和覆盖玻璃被用作空间太阳能电池板的辐射屏蔽，但这增加了整体重量和发射成本。符合太空条件的有机硅弹性体密封剂存在与钙钛矿层发生化学相互作用的风险，从而导致器件退化。关于使用氧化物和聚合物屏障的报道仅限于防潮，并且使用昂贵且耗时的沉积技术或昂贵的材料。尽管覆盖玻璃传统上被用作空间太阳能电池的坚固屏障技术，但它们损害了下一代超薄膜光伏技术(包括钙钛矿)所提供的特定功率优势。此外，由于有机物种和化学键对这些恶劣条件的不耐受，聚合物屏障很可能在空间辐照下降解。一种轻质阻挡层技术，可以以低成本的方式沉积，而不与设备堆栈发生化学作用，仍有待于钙钛矿PV的证明。
二、成果简介
有鉴于此，国家可再生能源实验室Joseph M. Luther团队报道了一种工业上可行的钙钛矿太阳能电池金属氧化物屏障层技术。作者选择氧化硅(SiOx)来证明这一概念，因为它成本低，易于通过热蒸发沉积。质子-钙钛矿相互作用的理论模拟表明，1μm的最佳厚度可以完全阻挡能量范围为~0.05 MeV的最具破坏性的低能质子。
四、结果与讨论
要点1：提高辐射耐受性
作者首先使用软件SRIM/TRIM(物质中离子的停止和范围/物质中离子的传输)模拟0.05MeV质子与钙钛矿太阳能电池的相互作用，这是一种蒙特卡罗模拟，模拟离子通过物质的过程，考虑非电离核位移和电子电离的能量损失。作者考虑了n-i-p和p-i-n器件架构，包括标准电荷传输层和钙钛矿活性层，基于Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3组成(三阳离子)，其中MA和FA代表甲基铵和甲醛酰胺阳离子。图1a、b显示了10万个质子通过n-i-p结构(质子分散)的入射和随后的穿越，有和没有1 μm SiOx顶层。由质子相互作用产生的空位总数也被绘制成器件堆栈深度的函数。这些低能质子穿透设备堆栈，并通过钙钛矿吸收层在很大程度上形成了均匀的损伤剖面，类似于空间环境中多能质子的全向入射。
这与III-V型太阳能电池的情况不同，在III-V型太阳能电池中，由于这些太阳能电池的厚度比钙钛矿器件大3-4倍，只有MeV范围内的高能质子才能产生均匀的损伤分布。虽然这样的厚度不是III-V型太阳能电池的基本要求，但它用于最佳的太阳光谱吸收和最大的输出功率。因此，损伤剖面在很大程度上取决于吸收器厚度，但仍应考虑对这些空位的容忍度。尽管质子通过并在裸太阳能电池的钙钛矿吸收器内产生空位，但SiOx层完全将它们阻挡在SiOx覆盖的设备中，而不会损坏设备堆栈。作者注意到SiOx层没有光学透明度要求，因为它不在器件的向阳一侧。p-i-n三阳离子太阳能电池的质子散乱现象见补充图6。
受到这些理论见解的鼓舞，作者通过热蒸发在n-i-p和p-i-n太阳能电池上沉积了1 μm SiOx，并用0.05 MeV的质子辐照它们(图1c,d)。SiOx沉积不会对器件造成任何损坏，从18.5%不变的PCE(补充图7)可以证明(补充图8)。
质子辐照对活性表面积为0.1 cm2的钙钛矿太阳能电池pce的影响如图1e,g所示，代表性的J-V曲线如图1f,h所示。没有SiOx的设备被标记为“裸露”，而带有SiOx的设备被标记为“受保护”。辐照电池的PCE与辐照前初始PCE的比值，即PCE剩余因子，记为r。裸露的太阳能电池在1013 cm−2的通量照射下损失了~15%的初始PCE, 1015 cm−2的质子破坏了这些器件，使效率降为零。受保护的细胞对这些影响表现出显著的弹性，与SRIM/TRIM模拟的理论见解一致。所有“受保护”细胞显示PCE残留因子接近1。SiOx的优点适用于任何光伏技术，因为低能质子被阻挡，而与下面的光吸收器无关。因此，这些超薄屏障可以成为需要高比功率的空间应用的可转移解决方案。
图1 SiOx作为辐射屏障
设备参数汇总如表1所示。在1013 cm-2通量下，裸太阳能电池的PCE损失是由开路电压、短路密度和填充因子这三个参数中的每一个损失引起的。尽管如此，与传统光伏电池板相比，在如此高的通量下，PCE剩余因子为0.85是显著的。
表1太阳能电池的器件参数和PCE剩余因子的总结
要点2：提高对原子氧和α-粒子的耐受性
原子氧、α粒子和紫外线辐射是空间环境中的主要压力源;然而，迄今为止大多未在钙钛矿太阳能电池中进行测试。通过对太阳能电池进行UVO处理，模拟了原子氧和紫外线照射的作用。在操作过程中，UVO室产生波长范围为200 nm的紫外光子，类似于LEO中的紫外环境。在与室内大气中的氧分子相互作用时，这些光子会产生氧原子，从而导致经常用于清洁的表面有机物的灰化。图2a显示了有和没有SiOx势垒的p-i-n三阳离子太阳能电池的归一化PCE。裸露的设备(16.3% PCE)在UVO暴露8分钟后完全损坏，而受保护的设备在暴露20分钟后仍保持其初始PCE的17.0%。在图2a的第一排所示的照片中可以看到一个有代表性的裸露设备的变色。扫描电镜发现原子氧腐蚀银电极。图2d,f分别显示了裸电池和保护电池金属电极区域的俯视图SEM图像。裸细胞(图2d)显示损伤，当对该设备的横截面成像时，损伤变得明显(图2e)。受保护的设备没有发现明显的变化(图2f,g)。暴露30分钟后，观察到有SiOx屏障的细胞PCE略有下降。这种性能降低可能是由原子氧对SiOx的逐渐侵蚀引起的，在图2g中可以看到在SiOx层顶部有白色的积聚。作者注意到，UVO室中细胞所经历的原子氧通量可能比低地球环境中的原子氧通量高几个数量级，因为地球上的大气压力和UVO室中的大气压力是低地球环境中的1011倍。因此，SiOx层有望在空间中以极慢的速度遭受侵蚀，这与通常5-15年的空间任务期限无关;因此，这些研究代表了加速测试条件下最坏的情况。
图2 SiOx作为氧原子屏障
要点3：提高对极性溶剂的耐受性
上述实验证明，SiOx可以使钙钛矿太阳能电池对质子、α粒子和氧原子进行硬化。作者感兴趣的是探索SiOx屏障层在太空应用之外是否有更广泛的应用范围。以陆地相容性为目标，测试了SiOx保护细胞对极性溶剂的耐受性。图3为去离子水浸泡对p-i-n三阳离子和CsPbI2Br细胞性能的影响。尽管太阳能电池板与水的直接相互作用并不现实，但这样的测试将耐湿性发挥到了极致。在这里，作者再次发现SiOx-capped p-i-n三阳离子和CsPbI2Br细胞在去离子水浸泡一分钟后仍保留约90%的初始PCEs(分别为15.0%和11.9%)。CsPbI2Br装置的情况特别值得注意，因为它固有的不耐潮湿。事实上，图3b中黑色虚线所示的初始PCE为11.7%的裸CsPbI2Br器件在与水接触时完全损坏，而受保护的电池保留了其棕色和性能。补充视频1和2展示了这个实验。图3c,d中的扫描电镜图像说明了p-i-n三阳离子电池在浸水时的损伤程度。SiOx屏障阻断了细胞与水的任何相互作用，使其不受损害(图3e,f)。
图3 SiOx作为水屏障
要点4：提高湿敏Sn-Pb和CsPbI2Br电池的寿命
扫描电镜(SEM)证明，SiOx层具有显著的形态均匀性，这也表明它有可能作为陆地应用的水分和化学屏障。为了说明这一点，作者选择了两种对水分高度敏感的钙钛矿吸收剂化学物质。基于低带隙(1.25 eV) Sn-Pb吸收体的太阳能电池通常在N2手套箱中进行表征，因为将它们暴露在环境中而不进行封装会导致降解。同样，基于宽带隙(1.88 eV) CsPbI2Br钙钛矿吸附剂的太阳能电池对水分也很敏感。尽管这些化学物质对于串联太阳能电池的设计非常有前途，但它们的水分敏感性需要在工业应用中得到解决。因此，这些化学反应是SiOx屏障性能的试金石。图4a显示了在环境中测量的Sn-Pb太阳能电池的PCE。正如预期的那样，没有SiOx的裸细胞立即降解(黑条)，并在四分钟内失去了几乎所有的初始PCE。然而，SiOx覆盖的细胞完全保留了它们最初的PCE (15.6%)，即在环境中是稳定的。据作者所知，这是第一次在环境中测量Sn-Pb太阳能电池，并发现其稳定，保留了100%的PCE。之前的报告在N2环境中进行了J-V测试，或使用玻璃-玻璃封装来测量环境中的这些电池。SiOx同样被发现可以提高CsPbI2Br太阳能电池的环境保质期(图4c)，即使在环境中放置100天后，受保护的电池仍保持其初始PCE约12.0%。裸露的细胞发生相分离，在环境中仅几天就变成透明的。这些观察结果证实了SiOx层抑制了水分的进入，延长了寿命。
图4 SiOx作为敏感化学品的防潮屏障
五、小结
总之，作者已经展示了一种基于超轻金属氧化物层的低成本屏障技术，可以可行地沉积在钙钛矿太阳能电池上。覆盖1 μm厚SiOx层的器件在1015 cm−2的超高通量下对有害质子表现出惊人的弹性，并且还具有抗紫外线辐射、原子氧和α-辐照的耐受性。与传统的辐射屏障(150 μm厚度的玻璃和弹性体封装)相比，该技术可将太阳能电池阵列的封装重量降低>99%。氧化层还可以作为水分和化学屏障，延长保质期，使细胞在极性溶剂下具有弹性，对陆地应用具有直接影响。
六、参考文献
Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite
https://www.nature.com/articles/s41560-022-01189-1
转自：“i学术i科研”微信公众号
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