轻柔有机太阳电池展示出优异的空间应用性能 | NSR
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在浩渺的宇宙中，空间探索不仅扩展了人类对宇宙的认识，更是推进了空间技术的发展。空间飞行器是人类认知太空以及利用太空的工具和载体。随着空间飞行器功能的拓展，能耗需求也越来越高，对空间飞行器的能源系统的要求也越来越高。空间太阳能资源丰富，高效利用太阳能将有效解决空间飞行器的能源供给问题。不同于地面光伏，空间应用的太阳电池要求具有更轻的重量，更高的重量比功率密度。有机太阳电池是一类以塑料为基底的薄膜电池，其功能层的整体厚度为几百纳米，因此重量功率密度远远高于传统的硅基以及化合物半导体类太阳电池，是空间飞行器理想的能源。近年来，有机太阳电池效率得到了快速的发展，展示出广阔的应用前景。但对于柔性有机太阳电池在空间的应用性能适应性和测试研究报道几乎空白。
针对柔性有机太阳电池在空间应用面临的极端环境可靠性这一关键和瓶颈问题，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中科院空天信息创新研究院、国家纳米科学中心深入合作，利用空天信息创新研究院研制的高空气球标定平台完成了柔性大面积柔性有机太阳电池35 km高度持续3小时自动对日跟踪的高空原位性能测试，35 km高度光谱等条件与太空的光谱条件非常接近，结果证实柔性有机太阳电池在空间中具有高效率以及稳定性能，展示其在空间应用的巨大潜力。相关研究结果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）, 中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究生徐子涵为论文的第一作者，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所骆群、马昌期研究员、中科院空天信息创新研究院徐国宁研究员、国家纳米科学中心魏志祥研究员为论文的共同通讯作者。
为了获得高的重量功率密度，研究团队利用凹版印刷方法在38 μm PET基底上制备高质量柔性透明导电电极，电池的重量功率密度达到了3.32 kW/kg。在优化器件结构的基础上，研究团队利用高空气球搭载将柔性有机太阳电池送到35 km高度的临近空间，监测连续飞行过程中电池性能。结果显示，气球在上升、平飞、下降这一过程中，电池表面温度经历-60 ~ 40 oC的变化；该过程电池的开路电压变化较小，证明低温应用的可能性。在35 km高空的3小时平飞阶段，电池性能基本保持变化，表明柔性有机太阳电池可以在近空间极端环境可以保持优异的稳定性（图1）。
同时，研究团队对回收的电池进行了性能测试，结果显示，柔性有机太阳电池在经历地面保存运输，飞行实验准备，空间辐照以及回收等一系列操作后，电池性能的衰退幅度与地面实验室保存的对照样品基本一致，充分证实柔性电池本征的稳定性以及空间极端环境的耐受能力。
图1. （a）柔性有机太阳电池照片（b）柔性有机太阳电池在临近空间示意图（c）电池飞行前后的性能J-V曲线（d）近3 h飞行过程中性能变化
在临近空间原位实验的基础上，为了理解柔性有机太阳电池空间的工作效能机制，研究团队研究了电池在实验室模拟空间高低温变条件下性能变化，证实柔性有机太阳电池在-60 oC条件下可以保持常温条件下80%左右的性能（图2），与临近空间实验结果保持一致；且性能略差的原因可能主要来自于界面复合。同时紫外光辐照结果表明，C60对氧化锌电子传输层以及氧化钼空穴传输层修饰，能有效提升柔性电池的抗紫外辐照能力，这也是该结构器件在空间强紫外环境下保持长时间稳定的主要原因。
图2. 柔性有机太阳电池温度循环过程中性能变化
中科院空天信息创新研究院研制的高空气球标定平台能够实现20 km-40 km高度临近空间太阳电池标定、太阳光谱测量等原位测量，每年1-2次常态化飞行试验。该工作中，项目团队利用该平台实现柔性有机太阳电池在空间应用性能的测试，实验得到的柔性有机薄膜太阳电池的光电转化效率以及面功率密度均达到当前新型太阳电池的最高值，且该工作也是基于高效率体系的柔性有机太阳电池世界上在临近空间应用的首次探索。项目研究工作将有利推动柔性有机太阳电池在空间探索应用的发展。
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