在极端温度循环下具备增强热疲劳抗性的钙钛矿太阳能电池

能抵御严酷冷热变化的太阳能发电

用于高空无人机或卫星的太阳能电池必须经受从灼热阳光到极端寒冷的剧烈温差。金属卤化物钙钛矿太阳能电池轻薄且效率高，但其分层结构在这种考验下会出现开裂和剥离。该研究展示了如何通过定制分子在电池内部起到微观减震器的作用，大幅提高在极端温度循环下的存活能力，同时不牺牲性能。

为何有前景的太阳能电池仍会失效

钙钛矿太阳能电池可将显著的功率输出封装在薄且低成本的薄膜中，使其在便携和空间应用中极具吸引力。然而，当温度变化时，各层的热膨胀和收缩速率差异很大。在将器件在约 −80 °C 到 +80 °C 之间往返循环的测试中，这些不匹配产生了强烈的拉应力，集中在微小晶粒边界以及活性层与基于玻璃的电极之间的界面。随着时间推移，这种“热疲劳”导致显微裂纹、粘附力减弱和效率下降，尤以电流通过器件的畅通性受损最为明显。

晶粒间的微观“粘合剂”

为了解决钙钛矿层内部的薄弱环节，研究人员在晶膜成膜溶液中掺入了一种叫做α-硫辛酸的小分子。在制膜的加热工艺中，这些分子相互连接形成聚合链，并在微观晶粒的边界处聚集。在那里，它们充当柔性的桥梁：与钙钛矿发生键合、帮助修复缺陷并连接邻近晶粒。先进成像和力学映射显示，这些被聚合物填充的晶界具有更好的粘附性并能更均匀地分散应力，同时不会产生新的不期望的晶相或扰动薄膜的整体结构。

增强层间接触处的结合力

第二个薄弱点在于钙钛矿与收集电荷的透明导电层接触处。团队通过一类基于硫辛酸的连接分子并结合已在高性能器件中常用的自组装单层来改性该界面。通过调节含硫端基，他们制备出可同时与电极和钙钛矿都形成特别强键合的版本。其中一种衍生物，具有带正电的磺鎓基团，表现尤为有效。机械剥离测试表明，这种处理增加了将层分离所需的力，而计算模拟和光谱学分析则揭示了更强的电子耦合和更有利于电荷提取的能量排列。

在极端循环中仍保持的高效率

在同时加强晶界和界面后，研究人员制备了完整的钙钛矿太阳能电池，并将其置于定制的温度循环方案中，从 −80 °C 到 +80 °C 循环。表现最好的器件将钛辛酸掺入钙钛矿并在接触处采用磺鎓基连接剂，在标准日照下稳定的光电转换效率约为26%——与实验室顶级结果相当。更重要的是，在16次严重温度循环后，这些电池仍能保持初始效率的84%，优于未处理器件和使用较低效添加剂的器件。所有电池的主要损失机制是填充因子下降，归因于电阻增加和界面损伤，但双重加固的设计减缓了这种退化。在强照和升温条件下的连续工作测试进一步证实了其改进的鲁棒性。

这对现实世界与太空光伏意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是巧妙的化学方法可以将脆弱但高效的钙钛矿薄膜转变为更为坚韧的能量采集器。通过在最脆弱的内部连接处插入分子“弹簧”和“胶水”，作者展示了这些太阳能电池能更好地承受卫星、高空平台及其他严苛环境中反复的加热与冷却。该工作为设计未来能同时强化内部晶体连接与层间界面的添加剂提供了蓝图，推动轻量化钙钛矿光伏向在恶劣、快速变化的气候条件及太空中长期使用更进一步。

引用: Yilmaz, C., Buyruk, A., Shi, Y. et al. Perovskite solar cells with enhanced thermal fatigue resistance under extreme temperature cycling. Nat Commun 17, 3669 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70293-7

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 热疲劳, 温度循环, 界面工程, 空间光伏