Pasukan Martin Green mengenai Perovskite di Angkasa: Kehilangan 20%

Jawapan pantas: Penyelidikan daripada kumpulan Martin Green merangka semula andaian umum tentang sel solar perovskit di angkasa. Halangan yang paling kerap disebut untuk fotovoltaik angkasa ialah sinaran kosmik, tetapi pengukuran di sini menunjukkan sebaliknya kepada kitaran suhu: sel perovskit dalam orbit berayun melalui kira-kira 80 °C puncak hingga −80 °C, dan bahan tersebut tidak bertahan dalam julat itu sebaik persekitaran sinaran. Data satelit daripada NOAA-21 merekodkan variasi suhu termasuk ayunan kira-kira 6.77 °C dan 16 °C dalam tetingkap singkat, dan analisis tersebut membezakan ini dengan angka penyejukan radiatif hampir 1.89 °C dan 1.67 °C. Kesimpulan praktikalnya ialah pembangunan perovskit angkasa harus ditujukan kepada kestabilan terma terlebih dahulu. Untuk pembuatan di daratan, kerapuhan yang sama inilah yang menjadikan tetingkap laminasi dan enkapsulan untuk sel tandem perovskit lebih ketat berbanding silikon.

Pembuatan Modul PV · oleh Jerry, Ooitech

Pengenalan

Fakta mengejutkan: halangan terbesar kepada 'impian angkasa' perovskite bukanlah sinaran kosmik — ia adalah perubahan suhu berpuluh-puluh darjah yang dialami satelit semasa mengelilingi Bumi 15 kali sehari. Kira-kira perubahan yang sama yang dihadapi modul silikon kristal dalam ujian TC.

Beberapa hari lalu seorang rakan yang bekerja pada sistem kuasa satelit bertanya kepada saya: 'Kamu orang PV selalu cakap betapa efisiennya perovskite. Bolehkah ia digunakan pada satelit kecil? Ia ringan, ketumpatan kuasa tinggi.'

Saya berkata: 'Jangan terburu-buru melihat kecekapan. Adakah anda tahu berapa banyak kejutan haba yang dialami satelit dalam satu hari di orbit?'

Dia berkata: 'Bukankah ia hanya panas pada waktu siang dan sejuk pada waktu malam?'

'Ya, tetapi adakah anda tahu seberapa cepat ia panas dari -80°C hingga +80°C?'

Dia berfikir: 'Beberapa darjah seminit?'

'Data diukur: 6.77°C seminit. Sesetengah makmal, untuk mensimulasikan persekitaran angkasa, terus meningkatkannya hingga 16°C seminit.'

Dia berhenti seketika: 'Bolehkah perovskite menanganinya?'

'Tidak boleh. Terdapat kertas kerja baharu dalam jurnal saudara Nature yang mengkaji perkara ini.'

Kertas kerja ini (Energy & Environmental Science, DOI:10.1039/d5ee03704b) adalah kerjasama antara UNSW, KRICT Korea, dan University of Surrey UK. Mereka menggunakan data satelit sebenar untuk menentukan piawaian ujian, kemudian meletakkan perovskite ke dalam ruang kejutan haba -80°C hingga +80°C selama 100 kitaran untuk melihat apa yang terselamat.

Biarkan saya terangkan ini dalam bahasa PV yang mudah.

Kejutan Haba di Angkasa Jauh Lebih Teruk Daripada Yang Anda Fikirkan

Dalam Orbit Bumi Rendah (LEO, ketinggian 200-2000 km), satelit mengelilingi Bumi kira-kira 15 kali sehari. Setiap orbit melalui peralihan dari cahaya matahari ke bayang-bayang Bumi dan kembali ke cahaya matahari.

Seberapa cepat proses ini?

Lihat Rajah 2c: data ukuran dari satelit NOAA-21 — beralih dari bayang-bayang ke cahaya matahari, kadar pemanasan ialah 6.77°C/min. Beralih dari cahaya matahari ke bayang-bayang, kadar penyejukan lebih perlahan, kira-kira 1.89°C/min (kerana haba dilesapkan melalui radiasi, yang lebih perlahan).

Kadar ini 4 kali lebih cepat daripada 1.67°C/min yang diperlukan oleh piawaian IEC 61215 peringkat tanah.

Julat suhu permukaan satelit diukur pada -90°C hingga +80°C (Rajah 1b). Julat kelayakan ECSS (European Cooperation for Space Standardization) lebih luas: -175°C hingga +125°C.

Jadi kertas ini mentakrifkan keadaan ujian dipercepat berikut (Rajah 2d):

• Julat suhu: -80°C ↔ +80°C

• Kadar perubahan: 16°C/min

• Bilangan kitaran: 100

16°C/min adalah 2.4 kali kadar ukuran NOAA-21. Ini bukan lagi "simulasi" — ia adalah penuaan dipercepat, menggunakan keadaan yang lebih keras untuk mendedahkan kelemahan bahan dengan cepat.

Apa yang Berlaku kepada Perovskite Di Bawah Kejutan Terma

Bahan yang digunakan ialah FAPbI₃, salah satu sistem perovskite simpang tunggal berkecekapan tertinggi yang ada (kecekapan makmal >27%). Tetapi FAPbI₃ mempunyai kelemahan maut: ia metastabil pada suhu bilik dan mudah berubah dari fasa α (hitam, sangat aktif) ke fasa δ (kuning, tidak aktif).

Untuk menstabilkan fasa α, sedikit MAPbBr₃ biasanya ditambah. Kertas ini menguji lima kepekatan: 0%, 1%, 3%, 5%, dan 7%.

Lihat simulasi dinamik molekul (Rajah 3a): memanaskan FAPbI₃ dari -80°C ke 80°C, pemalar kekisi bertambah, oktahedra PbI₆ mula condong, dan anjakan ion FA meningkat — struktur "bergoncang."

Sekarang lihat XRD selepas 100 kitaran kejutan terma (Rajah 3c-d):

Kesimpulan: menambah sedikit (1-5%) menstabilkan fasa α, tetapi menambah terlalu banyak (7%) memendakan PbI₂, yang sebenarnya lebih teruk.

Sekarang lihat KPFM (Mikroskopi Daya Probe Kelvin) yang mengukur potensi permukaan (Rajah 4):

• Sampel 1%: selepas kejutan terma, perbezaan potensi antara butiran meningkat, menunjukkan sempadan butiran menjadi pusat penggabungan semula

• Sampel 5%: selepas kejutan terma, taburan potensi lebih seragam dan kerosakan lebih kecil

Kertas kerja menggunakan SPV (Fotovoltan Permukaan) untuk mengukur ini — semakin tinggi SPV, semakin baik pemisahan pembawa foto. SPV sampel 5% adalah kira-kira 1.5 kali ganda daripada sampel 1%.

Dibuat Menjadi Sel, Berapa Banyak Yang Tinggal

Mereka membina struktur sel penuh: ITO/SnO₂/perovskit/PEAI/PTAA/Au, divakum dan dimasukkan ke dalam ruang kejutan terma.

Keputusan (Rajah 5b):

Sampel 5%, selepas bertahan 100 kitaran kejutan terma -80°C ↔ +80°C, masih mengekalkan kira-kira 80% kecekapannya.

Lihat lengkung J-V (Rajah 5c-d):

• Sampel 1%: Jsc dan FF menurun teruk

• Sampel 5%: bentuk lengkung lebih terpelihara

EQE (Rajah 5e-f) mengesahkannya: sampel 1% menurun di seluruh jalur, manakala sampel 5% hanya menurun sedikit di kawasan panjang gelombang panjang (700-800nm) — mungkin disebabkan ketidakpadanan pengembangan terma antara muka.

Bagaimana Prestasinya pada Ketinggian 35 km

Selepas ujian makmal, mereka memerlukan sesuatu yang nyata. Bekerjasama dengan Universiti Pisa di Itali, mereka menghantar sel ke ketinggian 35 km menggunakan belon altitud tinggi (Rajah 6a).

Pada ketinggian ini, tekanan atmosfera hanya 2% daripada paras tanah, ketumpatan udara 1.5%, suhu boleh mencapai -40°C, dan sel menghadapi sinaran UV hampir angkasa dan spektrum AM0.

Keputusan (Rajah 6f):

• Sampel 1%: PCE perlahan-lahan menurun apabila altitud meningkat

• Sampel 5%: PCE sebenarnya meningkat apabila altitud meningkat

Mengapa sampel 5% berprestasi lebih baik pada altitud tinggi? Apabila altitud meningkat, sinaran meningkat dan Jsc sepatutnya meningkat secara linear. Tetapi kecerunan peningkatan Jsc sampel 1% hanya 0.00016, manakala sampel 5% ialah 0.00364 — perbezaan satu urutan magnitud.

Ini menunjukkan sampel 1% mengalami penggabungan semula bukan radiasi yang teruk — pembawa foto yang dihasilkan ditelan oleh kecacatan sempadan butiran sebelum ia muncul. Data KPFM SPV telah meramalkan keputusan ini.

Pengambilan untuk Jurutera Barisan Pengeluaran

Jangan hanya lihat kecekapan — lihat sejauh mana ia boleh bertahan

Kertas kerja ini menawarkan rangka kerja ujian yang kukuh: gunakan kejutan haba pantas 16°C/min untuk penuaan dipercepatkan, kemudian gunakan belon altitud tinggi untuk pengesahan dekat angkasa.

Kami tidak membina satelit, tetapi pendekatan ini boleh dipindahkan — apabila menilai bahan dan proses baharu, pertimbangkan untuk menggunakan kadar kenaikan suhu yang lebih pantas untuk 'ujian tekanan' bagi mendedahkan isu antara muka dan sempadan butiran lebih awal.

Kaedah penstabilan mungkin membawa masalah baharu

Menambah MAPbBr₃ ke FAPbI₃ memang menstabilkan fasa α. Tetapi menambah terlalu banyak (7%) menyebabkan PbI₂ mendakan dan memburukkan keadaan.

Ini adalah logik yang sama seperti enkapsulan pemilihan filem — tiada resipi universal, hanya "titik keseimbangan." Semasa memilih, anda tidak boleh hanya melihat "sama ada ia ada" — anda perlu melihat "berapa banyak."

Data makmal dan data altitud tinggi sepadan

Bahagian paling kukuh dalam kertas ini ialah perbezaan SPV yang diukur oleh KPFM boleh meramalkan perbezaan cerun Jsc, dan penurunan EQE pada panjang gelombang panjang sepadan dengan ketidakpadanan pengembangan haba antara muka.

Analisis kegagalan yang baik seharusnya membolehkan anda menggunakan alat makmal untuk meramalkan prestasi lapangan lebih awal.

Kestabilan silikon kristal adalah parit terbesarnya

Lihat keadaan ujian kertas ini: -80°C hingga +80°C, 100 kitaran, 16°C/min.

Ini masih belum mencapai piawaian ECSS, tetapi ia sudah menjadi rutin untuk silikon kristal. Dalam ujian TC200 (200 kitaran haba) dari -40°C hingga +85°C, silikon kristal gagal jika degradasi melebihi 2%.

Untuk perovskite menggantikan silikon kristal, tidak cukup untuk mengejar kecekapan — ia perlu bertahan 25 tahun di bawah piawaian ujian yang sama.

Undian Interaktif

Adakah anda percaya perovskite boleh pergi ke angkasa?

Tinggalkan pendapat anda di ruangan komen.

Maklumat Rujukan

• Tajuk: Towards space compatible perovskite solar cells: guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing

• Tahun: 2026

• DOI: 10.1039/d5ee03704b

Pandangan Ooitech

Ooitech percaya: laluan perovskite ke angkasa tidak bergantung pada mengejar kecekapan, tetapi pada bertahan dalam kitaran kejutan haba yang teruk — dan ketahanan itu, bukan kecekapan mentah, adalah ukuran sebenar nilai sel solar.