OPV 有机光伏太阳能电池可承受恶劣的太空环境

两张模拟图像显示，能量为 100 keV 和 10 keV 的质子穿透太阳能电池的不同层。两张图像都标出了太阳能电池的六层，有机层位于第三层。质子穿透在黑色背景上显示为白色，对于 100 keV 图像，它看起来像暴风雪中的松树，因为质子在太阳能电池的所有层中描绘出一连串三角形。10 keV 质子图像看起来像一个毛茸茸的球，集中在银色顶层，杂散的线延伸到有机层
质子问题：两个模拟显示了能量为 100 千电子伏 (keV)（左）和 10 keV（右）的质子穿透太阳能电池的深度。 （图片来源：密歇根大学光电元件与材料组李永喜）

碳基有机光伏电池 (OPV) 在抵抗太空环境中的高能辐射和亚原子粒子轰击方面可能比以前想象的要好得多。这一发现是由美国密歇根大学的研究人员发现的，它挑战了长期以来的信念，即 OPV 设备在低地球轨道航天器遇到的条件下会系统性地退化。如果在实际测试中得到验证，这一发现表明 OPV 有朝一日可以与基于砷化镓等刚性半导体的传统薄膜光伏技术相媲美。

 轻质、坚固、抗辐射的光伏电池是许多航空航天应用的关键技术。OPV 电池对这个领域特别有吸引力，因为它们超轻、热稳定且高度灵活。最后一个特性使它们可以集成到曲面和平面上。
 当今的单结 OPV 设备还有另一个优势。由于能量转换效率 (PCE) 现已超过 20%，其比功率（即单位重量产生的功率）可高达 40 W/g。这明显高于传统的光伏技术，包括基于柔性基板上的硅（1 W/g）和砷化镓（3 W/g）的技术。具有如此大比功率的设备可以为进入低地球轨道及更远的小型航天器提供能量。
 然而，到目前为止，科学家认为这些材料对于太空应用存在致命缺陷：它们不耐航天器经常遇到的高能粒子（主要是电子和质子流）的辐射。

测试两种典型的 OPV 材料

 在这项新研究中，由电气和计算机工程师 Yongxi Li 和物理学家 Stephen Forrest 领导的研究人员分析了两种典型的 OPV 材料在暴露于具有不同能量的质子粒子时的行为。他们通过表征辐射暴露前后的光电特性来实现这一目标。第一种材料由使用真空热蒸发 (VTE) 技术生长的小分子 (DBP、DTDCPB 和 C70) 组成。第二组由溶液处理的小分子和聚合物 (PCE-10、PM6、BT-CIC 和 Y6) 组成。
 该团队的测量结果表明，通过 VTE 生长的 OPV 在高达 1012 cm−2 的辐射通量下保持了其初始 PV 效率。相比之下，基于聚合物的 OPV 在相同条件下损失了其原始效率的 50%。研究人员表示，这是因为质子辐照会破坏聚合物分子烷基侧链中的碳氢键。这会导致聚合物交联并产生电荷陷阱，从而将电子禁锢并阻止它们产生有用的电流。
 Forrest 表示，好消息是，许多缺陷可以通过在 45°C 或更低的温度下对材料进行热退火来修复。经过这样的退火，电池的 PCE 会恢复到辐射前的近 90%。这意味着由这些材料制成的面向太阳的太阳能电池基本上可以“自我修复”，尽管 Forrest 承认，这是否真的发生在深空中是一个需要进一步研究的问题。“设计材料可能更直接，使电子陷阱永远不会出现，或者用其他原子填充它们，从而消除这个问题，”他说。