金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其高效率、低成本以及輕量化潛力，在新一代光伏技術(shù)中占據(jù)重要地位。然而，在反復(fù)極端溫度變化環(huán)境（如航天應(yīng)用或高加速應(yīng)力測(cè)試）下，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍面臨挑戰(zhàn)。美能光熱真空試驗(yàn)箱打破傳統(tǒng)單一環(huán)境測(cè)試的局限，實(shí)現(xiàn)三大實(shí)驗(yàn)條件的協(xié)同控制與精準(zhǔn)耦合，完美復(fù)現(xiàn)太空軌道中光伏組件的真實(shí)工作環(huán)境。

溫度循環(huán)過程中，不同材料層之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配會(huì)引發(fā)周期性應(yīng)力積累。例如，玻璃基底、ITO電極與鈣鈦礦層之間存在顯著CTE差異，導(dǎo)致應(yīng)力集中在晶界與界面區(qū)域，進(jìn)而引發(fā)裂紋、分層及性能衰退。尤其是在類似低地球軌道（LEO）環(huán)境中，器件需承受頻繁且劇烈的溫度波動(dòng)，這對(duì)鈣鈦礦器件的機(jī)械與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高要求。

研究思路：雙重分子增強(qiáng)策略

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a示意圖：有/無聚硫辛酸時(shí)，鈣鈦礦多晶在晶界處的熱行為差異。b硫辛酸的熱聚合及其雙重作用：缺陷鈍化（1）和聚合物鏈間氫鍵（2）。c探針型納米力學(xué)成像原理：1-鈣鈦礦晶粒，2-富聚硫辛酸的晶界。d空穴傳輸層界面處的粘附力分布圖

針對(duì)熱疲勞問題，本文提出一種“晶界+界面”雙重強(qiáng)化策略：

晶界強(qiáng)化（Bulk）：在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入α-硫辛酸（LA），利用其在退火過程中的原位聚合能力，增強(qiáng)晶界連接與機(jī)械韌性；

界面強(qiáng)化（Interface）：在ITO/鈣鈦礦界面引入LA衍生分子（DHLA、DMSLA），配合自組裝單分子層（SAM），提升界面黏附強(qiáng)度與電學(xué)匹配。

同時(shí)，構(gòu)建了?80 °C 至 +80 °C 的極端溫度循環(huán)測(cè)試體系，用于系統(tǒng)評(píng)估器件熱疲勞行為。

晶界調(diào)控：原位聚合提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

LA在熱退火過程中發(fā)生開環(huán)聚合，優(yōu)先分布于晶界區(qū)域，而非進(jìn)入晶格內(nèi)部。這一過程帶來兩方面作用：

化學(xué)鈍化：羧酸基（–COOH）通過氫鍵及配位作用，與Pb2?及鈣鈦礦八面體相互作用；

機(jī)械增強(qiáng)：聚合形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提升晶界連接強(qiáng)度，減少缺陷傳播。

多種表征結(jié)果（XPS、FTIR、NMR等）均驗(yàn)證了LA與鈣鈦礦之間的相互作用及其聚合行為。AFM納米力學(xué)測(cè)試顯示：

DHLA：晶界黏附力提升 >50%

DMSLA：提升約40%

LA：提升有限

說明聚合結(jié)構(gòu)與功能基團(tuán)類型共同決定晶界強(qiáng)化效果。

界面工程：分子結(jié)構(gòu)調(diào)控黏附與能級(jí)

a：4PADCB與三種連接分子在ITO/鈣鈦礦界面形成空穴傳輸層接觸b：拉脫測(cè)試裝置示意圖c：最大粘附強(qiáng)度；d：對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值（均取各組最高值）e：DFT計(jì)算得到的鈣鈦礦-連接分子相互作用能f：分子與鈣鈦礦的相互作用圖示

在ITO/鈣鈦礦界面，通過SAM（4PADCB）與不同LA衍生物協(xié)同修飾，實(shí)現(xiàn)界面優(yōu)化：

LA：二硫鍵結(jié)構(gòu)

DHLA：巰基（–SH）

DMSLA：磺鎓陽離子（–S?）

界面黏附增強(qiáng)

拉脫測(cè)試表明：對(duì)照組：3.61 MPa、DMSLA：4.89 MPa（最高），說明磺鎓結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。

分子作用機(jī)制（DFT）

計(jì)算結(jié)果顯示：DMSLA具有最強(qiáng)界面相互作用能、顯著增強(qiáng)界面電荷轉(zhuǎn)移、形成更強(qiáng)電子耦合。

能級(jí)匹配優(yōu)化

UPS分析表明：DMSLA引入后，ITO功函數(shù)發(fā)生下移、與鈣鈦礦價(jià)帶能級(jí)差減?。s0.25 eV）、從而促進(jìn)空穴提取與載流子輸運(yùn)。

薄膜質(zhì)量與形貌優(yōu)化

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引入LA及其衍生物后：

晶粒尺寸增大

結(jié)晶性提升

薄膜更加致密（無針孔）

說明添加劑不僅改善界面，還調(diào)控晶體生長(zhǎng)過程，提升整體薄膜質(zhì)量。

器件性能提升

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a：器件結(jié)構(gòu)示意圖b：慕尼黑大學(xué)最佳器件的J-V曲線與參數(shù)c：天津大學(xué)最佳器件結(jié)果（插圖為穩(wěn)態(tài)PCE）d：UPS測(cè)得的ITO/SAM與鈣鈦礦的相對(duì)能級(jí)e：基于PL的隱含開路電壓（iVoc）全器件面成像f：Voc與FF的統(tǒng)計(jì)分布

最優(yōu)器件結(jié)構(gòu)中（DMSLA界面 + LA體相）：PCE：25.21%（LMU） / 25.98%（天津大學(xué)）、Voc：1.16 V、Jsc：≈26 mA cm?2、FF：0.83–0.85。

性能提升來源于：界面與晶界雙重缺陷鈍化、能級(jí)匹配優(yōu)化、載流子復(fù)合減少。

PL/TRPL測(cè)試也證實(shí)了載流子壽命延長(zhǎng)與復(fù)合降低。

熱疲勞穩(wěn)定性分析

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a：熱循環(huán)溫度曲線及16次循環(huán)中器件參數(shù)的演變b：代表性器件在熱循環(huán)前后、1倍太陽光下的J-V曲線c：對(duì)照器件歸一化FF對(duì)循環(huán)時(shí)間/次數(shù)的等高線圖d：在AM0近似光照（~1360 W/m2）下的J-V曲線e：封裝器件在45±5°C、70±10% RH、1倍太陽光下MPPT結(jié)果

在 ?80 °C +80 °C 循環(huán)條件下：

DMSLA器件：16次循環(huán)后保留84%效率

對(duì)照組：79%

LA：64%，DHLA：72%

性能衰減主要來源于：填充因子（FF）下降（主導(dǎo)因素）、Voc、Jsc變化較小。此外研究發(fā)現(xiàn)：退化與“熱暴露時(shí)間”相關(guān)性更強(qiáng)，而非循環(huán)次數(shù)本身。說明熱疲勞本質(zhì)是累積應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的界面與電阻損失問題。

分子級(jí)緩沖系統(tǒng)

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該策略可理解為一個(gè)“分子級(jí)緩沖系統(tǒng)”：

晶界層面：聚合網(wǎng)絡(luò)吸收應(yīng)變、抑制裂紋擴(kuò)展

界面層面：強(qiáng)化化學(xué)鍵合、避免分層

整體效果：緩解熱膨脹失配引起的機(jī)械疲勞

其中，DMSLA兼具：強(qiáng)界面結(jié)合、高化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異電子耦合，因此表現(xiàn)出最佳綜合性能。

在極端溫度循環(huán)環(huán)境下，鈣鈦礦太陽能電池面臨嚴(yán)重的熱疲勞與界面失效問題。本文圍繞?80°C至80°C循環(huán)條件，系統(tǒng)研究熱膨脹系數(shù)失配對(duì)器件穩(wěn)定性的影響，并提出“晶界+界面”雙重分子強(qiáng)化策略。通過引入α-硫辛酸（LA）及其衍生物，實(shí)現(xiàn)晶界原位聚合與界面黏附增強(qiáng)，有效抑制填充因子衰減與結(jié)構(gòu)退化。器件效率達(dá)到25%以上，并在多次極端溫度循環(huán)后保持84%性能。該研究為航天光伏、空間能源系統(tǒng)及高穩(wěn)定性鈣鈦礦器件提供了重要理論與技術(shù)支撐。

美能光熱真空試驗(yàn)箱

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美能光熱真空試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)光照、溫度、真空三大條件的協(xié)同控制，真實(shí)復(fù)現(xiàn)低軌太空環(huán)境。適用于鈣鈦礦、硅基及III-V族太陽能電池在極端空間下的性能評(píng)估與可靠性驗(yàn)證。

• 太陽光模擬：AM0太空光譜，AAA等級(jí)，模擬紫外短波輻射
• 溫度控制：-70℃/-80℃（可選-175℃）至+150℃，支持冷板、氣氮等多種方式
• 高真空：可達(dá)8.0×10?? Pa 或 5.0×10?? Pa

美能光熱真空試驗(yàn)箱可精準(zhǔn)評(píng)估鈣鈦礦、硅基及III-V族太陽能電池在空間極端環(huán)境下的性能與可靠性，重點(diǎn)服務(wù)于熱沖擊、熱疲勞及紫外老化等測(cè)試需求，為航天光伏器件的工藝優(yōu)化與壽命預(yù)測(cè)提供核心檢測(cè)支撐。