Thermally Adaptive Interfacial Polymer Network Enables Space-Compatible Perovskite Solar Cells
本研究引入了一种热适应型聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)中间层，该层在其玻璃化转变温度下进行动态重构，以增强钙钛矿太阳能电池的埋入界面，在实现经认证的 27.19% 效率的同时，保持了针对空间应用中极端热循环和紫外线照射的卓越稳定性。
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阳光是一个强大的引擎，但它也是一个严酷的环境。对于为绕地球运行的卫星提供动力的太阳能电池板而言，挑战不仅在于捕捉光线，还在于在它们快速进出地球阴影时，如何从剧烈的温度波动中幸存下来。在真空的太空中，一颗卫星可能在短短几分钟内，从摄氏一百度的高温烘烤变为零下六十度的极寒冻结。这些快速的变化会导致材料膨胀和收缩，产生肉眼看不见的应力，从而使太阳电池内部脆弱的层结构发生裂纹并削弱其强度。虽然一种由金属卤化物钙钛矿制成的新型太阳电池为传统的硅电池提供了一种轻量化、高效的替代方案，但这些电池在历史上一直难以在如此极端的温度冲击下生存。问题通常在于光吸收层与电接触点之间隐藏的边界；当材料以不同的速率膨闻和收缩时，这个埋藏的界面会产生裂纹，导致能量流失并最终使器件失效。
来自复旦大学的一个研究小组发现了一种方法，使这些太阳电池具备足够的柔韧性，以应对太空的严苛环境。他们在电接触与光吸收晶体之间引入了一层特殊的聚合物（一种塑料）薄层。这种聚合物就像一个智能的、具有适应性的缓冲垫。它的设计初衷是在受热时改变其物理状态。在室温下，它是刚性的；但当太阳电池在运行过程中或在阳光照射下升温时，这种聚合物会变软，变成一种具有弹性的凝胶状网络。这种转变使得材料能够吸收因膨胀和收缩产生的应力，而不会破坏与下方晶体的结合。通过在温度剧烈波动时保持界面的完整，研究人员防止了通常会破坏这些器件的新裂纹和缺陷的形成。
他们选择的材料被称为聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)。在常态下它是一种固体，但它具有特定的“玻璃化转变”温度，即它从坚硬脆性转变为柔软柔韧性的临界点。研究人员发现，这种转变发生在太阳电池在运行期间自然达到的温度。当电池升温时，层内的聚合物链开始移动并重新排列。这种运动使聚合物能够流动到制造过程中可能形成的微小缝隙和孔洞中，从而有效地密封界面。更重要的是，聚合物表面的化学基团会向晶体表面“伸手”并紧紧抓牢，即使在材料试图因热应力而分离时也能稳固支撑。这种动态的抓握力防止了界面剥离或产生导致失效的微观撕裂。
为了测试这种方法是否奏效，团队制造了带有这种自适应层的太阳电池，并将它们置于模拟低地球轨道严酷环境的条件下。他们让器件在零下六十度和零上一百摄氏度之间进行了数百次循环，加热和冷却的速率为每分钟三十二摄氏度。在经历了五百四十次这样的快速循环后，带有自适应聚合物层的太阳电池仍保留了其原始效率的百分之九十。相比之下，没有这一层的标准电池性能损失显著，效率仅降至百分之七十五。研究人员还在强烈的紫外线和长时间的高温下测试了这些电池，发现自适应层可以保护器件免受在这些条件下通常发生的化学降解和结构坍塌的影响。
除了承受压力外，自适应层实际上还提高了太阳电池的工作性能。由于聚合物填充了缝隙并使界面变得平滑，阳光产生的电荷可以在器件中更容易地移动。这导致了光能向电能转换效率的提升。表现最好的器件实现了百分之二十七点二五的效率，这是该类技术的一个高水平指标，且经认证的测量结果确认为百分之二十一点一九。研究还表明，这些电池在连续运行数百小时后仍保持稳定，保留了近百分之九十的功率输出。
这一方法的成功为如何为极端环境构建耐用电子设备提供了一种全新的思考方式。研究人员并没有试图让设备的每一层都保持刚性和不变（这往往会导致在压力下产生裂纹），而是展示了引入一种能够响应热量并改变形状的材料，可以提供持久的保护。这种方法不仅仅是修复损坏的部分，而是通过允许界面随变化的条件进行“呼吸”和移动，从源头上防止了损伤的发生。对于可靠电力至关重要的未来太空探索而言，这种使用热响应塑料层的简单而有效的策略，可能决定了一颗卫星是会在第一年内失效，还是能继续为航天任务提供数十年的动力。
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