钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的附加材料用量，在太空光伏领域受到关注。低地球轨道环境中的宽温度变化和质子辐照会改变电池的光谱响应、载流子输运及输出性能，器件能否在这些条件下稳定工作仍需实验验证。美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究测试了叠层电池在−100～+100 ℃范围内的温度响应，并评估不同能量和注量的质子辐照造成的性能变化。结果显示，钙钛矿顶电池在所测辐照条件下退化较小；低温下，顶电池发光被晶硅底电池重新吸收的过程可能补偿部分电流损失；晶硅底电池则是该结构辐射退化的主要限制因素。

实验方法

研究采用钙钛矿顶电池与晶硅底电池组成的两端叠层结构。钙钛矿吸收层厚度约为400 nm，晶硅底电池采用以p型硅为基础的异质结结构，硅片厚度为140～150 μm。器件有效面积为1 cm²，制备在25 mm × 25 mm的切割硅片上。

温度测试覆盖−100～+100 ℃。研究人员测量两个子电池的外量子效率（EQE）和光致发光(PL)光谱，分析吸收边、发光峰及其随温度的变化。器件在大气层外太阳光谱条件下进行电流—电压测试，并采用最大功率点（MPP）跟踪记录温度变化过程中的输出参数。另在25、0和−25 ℃下使用532 nm激光激发钙钛矿顶电池，同步测量发光强度和器件电流—电压特性，以分析顶电池发光与叠层器件电流变化之间的关系。

辐照实验采用50 keV和5.5 MeV两种质子能量。50 keV质子主要停留在钙钛矿顶电池内，5.5 MeV质子则能够穿过顶电池并与晶硅底电池发生相互作用。两种能量分别采用不同的质子注量，辐照后通过外量子效率光谱、积分短路电流密度及其保持率评估子电池退化情况，并利用太空环境模型估算轨道运行期间的位移损伤剂量。

温度对吸收与发光的影响

温度依赖的EQE（实线）与绝对PL（虚线）对比：(a) 硅子电池；(b) 金属卤化物钙钛矿（MHP）层 ,(c) 根据EQE光谱提取的带隙能量及根据PL峰位确定的能量随温度的变化，显示钙钛矿吸收层的带隙对温度的敏感程度低于硅子电池。(d) 各子电池在大气质量零（AM0）标准光谱下的Jsc。(e) 两个子电池的相对光致发光强度随温度的变化

测试结果显示，钙钛矿与晶硅的带隙具有不同的温度响应。在−100～+100 ℃范围内，钙钛矿带边移动约5 meV，未观察到宏观相变。其发光峰相对吸收边略有蓝移，研究将这一现象归因于多晶薄膜中富溴区域具有较高的发光能量。温度降低时，钙钛矿的光致发光强度明显增强，这与其直接带隙特性及光子再吸收能力有关。

晶硅属于间接带隙材料，吸收边受到声子参与的跃迁过程影响，温度变化对其光谱响应的作用更明显。低温下，晶硅发光光谱出现低能肩峰，带隙变化也比钙钛矿更显著。

研究根据外量子效率光谱计算两个子电池在大气层外太阳光谱条件下的积分短路电流密度。整个测试温区内，晶硅底电池均为电流限制子电池；温度降低后，两个子电池的积分电流差进一步扩大。若只依据该结果判断，低温应加剧电流失配并降低器件输出。

温度对叠层器件输出性能的影响

采用最大功率点（MPP）跟踪测得的钙钛矿/晶硅叠层器件各项性能参数相对于初始室温测量值的剩余比例随温度的变化

器件先在暗态下冷却至−100 ℃，随后在大气层外太阳光谱照射下升温，并通过最大功率点跟踪记录输出变化。

降温后，暗电流减小，最大功率点电压在降至约−25 ℃的过程中升高。温度继续降低时，载流子提取可能受到限制，原因或与非晶硅或钙钛矿传输层电导率下降、复合界面层输运受限有关。

在25、0和−25 ℃下，采用532 nm激发激光同步测得的功率依赖光致发光（PL）与电流密度–电压（J–V）结果

与电压变化相比，最大功率点电流密度在整个200 ℃温区内的变化较小。研究人员进一步在25、0和−25 ℃下同步测量钙钛矿发光和器件电流。随着激发功率增加，顶电池发光增强，提取的最大功率点电流密度也随之上升。0 ℃时，明显的发光增强阈值接近一个太阳光强对应的大气层外辐照水平；温度进一步降低后，该阈值下降。

这些结果支持发光耦合机制的解释：钙钛矿顶电池发出的光子被晶硅底电池重新吸收，产生额外光生载流子，从而补偿部分低温电流损失。该机制有助于解释为什么两个子电池的积分短路电流差在低温下扩大，而器件实际工作时的最大功率点电流密度仍相对稳定。

研究还指出，优化顶电池吸收层厚度与材料组分、提高发光效率，可能改善工作条件下的电流匹配。两端叠层结构仍存在局部遮挡风险：在特定电流限制条件下，器件可能承受反向偏压并发生退化，因此需要在结构设计和实际应用中加以评估。

质子辐照对器件性能的影响

质子辐照后(a)钙钛矿子电池和(b)硅子电池的外量子效率光谱。(c)根据EQE光谱积分得到的AM0条件下Jsc；(d)短路电流密度的剩余比例。(e)国际空间站（ISS）轨道运行一年对应的微分位移损伤剂量（DDD）随质子能量的变化（黑色曲线，左轴），以及硅材料的非电离能量损失（NIEL，红色曲线，右轴）

研究采用的质子注量为：50 keV条件下的10¹¹和 10¹² protons/cm²，以及5.5 MeV条件下的10¹⁰和10¹¹ protons/cm²。这些条件用于模拟低地球轨道不同高度对应的年度质子辐照水平。

辐照后的外量子效率光谱显示，钙钛矿顶电池在所测条件下没有明显退化，其积分短路电流密度保持率变化很小。晶硅底电池则在5.5 MeV质子辐照后出现持续退化，且退化程度随质子注量增加而加重。研究认为，这与晶硅内部复合损失增加有关。

研究人员进一步根据太空环境模型计算轨道运行期间的位移损伤剂量，并估算晶硅底电池的短路电流密度保持率。模型结果显示，质子注量为1x10¹⁰ protons/cm²时，对应约8.4年的低地球轨道运行时间，晶硅底电池的短路电流密度约保持初始值的93%；注量为1x10¹⁰  protons/cm²时，对应约84年，保持率约为86%。这些数值是模型换算结果，并非器件经过相应年限的在轨实测数据。

辐照样品未进行完整封装，除上层透明导电氧化物层提供有限的环境保护外，没有盖玻璃屏蔽。模型计算同样未计入盖玻璃的屏蔽作用。实际航天器使用的盖玻璃能够衰减入射质子通量，尤其是低能质子，因此实际封装器件受到的辐射损伤可能低于本研究测试条件下的结果。

该研究表明，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池在宽温区内的工作表现，不能仅通过两个子电池的积分短路电流密度判断。钙钛矿带边在−100～+100 ℃范围内仅移动约5 meV，而晶硅的吸收特性对温度更加敏感。尽管低温扩大了两个子电池的电流差，顶电池发光被底电池重新吸收的过程仍可能补偿部分电流损失，使最大功率点电流密度在测试温区内保持相对稳定。

质子辐照实验显示，钙钛矿顶电池的辐射耐受性高于该结构中的晶硅底电池，晶硅底电池是器件辐射退化的主要限制因素。模型估算表明，该结构具有应对典型低地球轨道任务辐射环境的潜力，但实际应用仍需针对任务轨道、封装方式和运行周期进行验证。后续优化可围绕钙钛矿吸收层组分与厚度、顶底电池电流匹配，以及晶硅底电池减薄展开。正式用于太空任务前，还需评估封装与互连结构的稳定性，并开展振动、机械可靠性及长期太空环境验证。

美能钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT采用3A+级LED太阳光模拟器作为老化光源，并在上一代基础上完成全面进阶：光谱范围拓展至300~1700 nm（AM0）、光谱等级达到AAA（AM0）、支持 24 通道独立可调，为钙钛矿太阳能电池、太空光伏及叠层电池（2T/3T/4T）的研究提供了强有力的支持。

▶ 光源等级：AAA（AM0），光谱范围 300~1700 nm，适用于太空光伏测试

▶ 多波段独立可控：24 通道可调（AM0），精准匹配三结、四结叠层电池子电池带隙

▶ 大样品夹具：支持 210×105 mm 叠层电池，夹具采用正背面金线挤压引出电极

▶ 环境可控：支持 15℃~100℃ 半导体控温，同时可在氮气环境（无水无氧）下测试

美能钙钛矿最大功率点追踪测试MPPT不仅是性能验证工具，更是钙钛矿与叠层太阳能电池研究的高效测试平台。

原文参考：Space Relevant Stressors on Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

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