Perovskite Solar Cells for Extreme Environments: Tailoring Material Design and Exploring New Opportunities

Wooyeon Kim, Bonkee Koo & Min Jae Ko

Nano-Micro Letters (2026)18:329

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02173-0

本文亮点

1. 本文全面盘点钙钛矿太阳能电池在太空、深海、沙漠、极地四大极端场景的实际部署与应用前景。

2. 本文聚焦光照、高温、高湿下的失效机理，系统梳理缺陷钝化、界面工程、先进封装、自修复钙钛矿四大核心稳定化策略，从根源提升器件长期可靠性。

3. 本文面向真实严苛环境，为未来稳定性测试与极端环境下可靠运行所需满足的实际性能标准提出了指导建议。

研究背景

随着人类活动不断向太空、深海、沙漠、极地等极端环境拓展，这些区域普遍缺乏稳定的电网基础设施，且能源补给困难，急需一种轻便、独立、长期可靠的供电方案。传统电池与燃油发电机重量大、维护复杂，难以满足需求；而太阳能电池无需燃料、可自主发电，成为理想选择。

在新一代光伏技术中，钙钛矿太阳能电池(PSCs)凭借带隙可调、吸光系数高、轻薄柔性、可低温制备等突出优势，特别适合无人机、卫星、可穿戴设备与极端场景供能。但长期以来，钙钛矿材料本身不稳定，在高温、高湿、强辐照下极易降解，导致它一直无法在严苛环境中实际应用。

近年来，随着界面钝化、封装技术、自修复材料等方向的快速突破，钙钛矿太阳能电池的稳定性大幅提升，使其在各种极端环境的应用成为可能。因此，了解极端环境的限制因素、稳定性提升策略与未来标准，对推动钙钛矿光伏走向实际应用至关重要。

内容简介

在电力基础设施匮乏、补给条件有限的极端环境中，稳定且独立的供电至关重要。传统电池与燃油发电机通常重量大、需要专业维护，而太阳能电池可直接将阳光转化为电能，无需依赖外部燃料。在新一代光伏技术中，钙钛矿太阳能电池(PSCs)具备显著优势：拥有可调谐带隙与高吸收系数，可实现光谱匹配，即使在低辐照条件下也能稳定运行；同时具有轻薄、质轻、机械柔性等特点，可集成于无人机、卫星等移动电子设备与航空系统中。

尽管钙钛矿太阳能电池具备诸多优势，但受限于钙钛矿吸收层本征不稳定性，其难以在严苛环境中应用，易在高温、高湿、持续辐照等外界胁迫下发生降解。近年来，界面钝化、封装技术及自修复钙钛矿材料的研发取得重要进展，大幅提升了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性，使其在极端环境下的应用成为可能。

韩国汉阳大学Min Jae Ko等人系统归类了太空、水下、沙漠、极地等场景下各类环境的对钙钛矿太阳能电池性能的具体限制因素，梳理应对这些挑战的最新技术进展，并评估钙钛矿太阳能电池在极端环境中实际运行的可行性。最后，文章讨论了钙钛矿太阳能电池当前面临的挑战，并对钙钛矿太阳能电池在极端环境中的未来应用进行展望。

图文导读

I PSCs的优势与局限

图1. 钙钛矿太阳能电池(PSCs)与代表性光伏技术在极端环境下的应用适配性，包括光电优势、制备优势与结构优势。

图 1对比钙钛矿太阳能电池(PSCs)和其他主流太阳能电池，这张图把太阳能电池的能力分成三大优势维度：光电性能优势：吸光强、寿命长、效率高；制备工艺优势：低温加工、成本低、易量产；结构形态优势：轻薄、柔性、可弯曲、无玻璃。

图2. 钙钛矿太阳能电池(PSC)在极端环境中面临的各类外部应力下工作状态示意图。

图2展示了钙钛矿太阳能电池在太空、水下、沙漠、极地四大极端环境下所面临的各类外部应力侵袭，清晰呈现出不同严苛场景下典型的环境胁迫因素。例如，太空环境下的真空、高能辐射；水下环境中的海水腐蚀、静水压力、生物污损；沙漠中的高温暴晒、剧烈温差；极地环境中的超低温、湿气入侵等，为后续针对性提出稳定性提升策略奠定了基础。

II PSCs的极端工作条件

图3. 与极端环境相关的环境条件示意图。a 用于探究钙钛矿太阳能电池(PSCs)中电离能量损失(IEL)诱导损伤与自修复机制的双剂量辐照实验示意图；b AM0(地外光谱)与AM1.5G(地面标准光谱)的太阳光谱辐照度及波长分布差异示意图；c 水下物联网(IoUT)系统示意图。经特殊设计、主要吸收蓝光与绿光的太阳能电池，更适用于水下高效能量采集；d 基于比尔–朗伯定律与 AM1.5G 光谱模拟的太阳辐照度随水深变化曲线，并叠加硅(Si)、碲化镉(CdTe)、磷化铟镓(GaInP)太阳能电池的外量子效率(EQE)曲线；e 风沙扬尘对光伏组件性能的影响；f 由太阳能供能的AtlantikSolar 低空长航时(LALE)无人机。

图 3 为极端环境相关条件的综合示意图，系统展示了太空、水下、沙漠及高空等典型严苛场景的真实环境特征，包括双剂量辐照实验设计与电离损伤修复机制、地外 AM0 与地面 AM1.5G 光谱差异、水下物联网系统结构、光照随水深的衰减规律、风沙对光伏器件的影响以及太阳能无人机供能应用等内容，全面呈现了极端环境下的光照、辐射、温度、压力、介质等关键环境参数，为分析钙钛矿太阳能电池在不同场景下的工作特性与失效原因提供了直观依据。

图4. 钙钛矿太阳能电池(PSCs)在各类极端环境下的主要降解机理示意图。

图 4 为示意图，清晰揭示了钙钛矿太阳能电池在太空、水下、沙漠、极地等各类极端环境下的核心降解机制：

太空环境：高能辐射、高低温剧烈循环、真空，会让钙钛矿中的有机阳离子分解、碘离子逃逸，最终分解成 PbI₂ 等非活性物质。 

水下环境：持续进水、海水离子侵入、生物附着，会直接造成钙钛矿溶解、电极腐蚀、界面分层，还会因为生物污损挡住光。 

沙漠环境：高温、强紫外、昼夜巨大温差，会引发热分解、紫外光致降解、热膨胀不匹配开裂，再加上沙尘遮挡和磨损。 

极地环境：超低温、反复冻融、冰雪覆盖，会让材料脆裂、界面脱层、载流子传输变差，同时光照弱、积雪进一步影响发电。

III PSCs的稳定性优化

图5. 钙钛矿太阳能电池中辐照诱导的降解路径及对应抑制策略。a 甲胺铅碘(CH₃NH₃PbI₃)钙钛矿薄膜中光致降解机理示意图；b 质子辐照引发甲脒(FA)分子发生潜在键断裂的示意图；c 淀粉与淀粉 - 碘化物溶液的实物照片及淀粉 - 碘化物的分子结构；d 参考器件与淀粉 - 碘化物修饰器件在 24 小时昼夜循环下的模拟追踪性能；e 部分离子对的标准氧化还原电势；f 钒离子(V³⁺/V²⁺)氧化还原梭加速锡铅钙钛矿自修复氧化还原反应的机理示意图。

图 5 系统阐释了钙钛矿太阳能电池在辐照(光照、高能粒子)作用下的降解路径，以及对应的抑制与自修复策略。图5a展示了 CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜在光照下产生缺陷、离子迁移进而发生光致降解的微观机理：CH₃NH₃PbI₃钙钛矿在光照下会出现缺陷增多、离子迁移等光致降解现象，而在质子辐照下，钙钛矿中的 FA 有机分子还会发生化学键断裂(图5b)，造成结构不可逆损伤。图5d则通过 24 小时昼夜循环模拟，对比证明了引入 Starch I 后器件的运行稳定性显著提升；图5e列出了多种离子对的标准氧化还原电势，为设计氧化还原自修复体系提供依据；图5f进一步提出并阐明了 V³⁺/V²⁺氧化还原梭的作用机制，其可通过快速氧化还原反应修复受损的 Sn–Pb 钙钛矿。

图6. 钙钛矿太阳能电池的热致降解机制及对应抑制策略。a 甲脒基钙钛矿(FAPbX)在光照与热应力下的降解机制(红色箭头表示键断裂过程，黄色箭头表示键重构过程；不可逆路径以单红色箭头标出)；b 甲胺基钙钛矿(MAPbI₃)在光照与加热条件下的降解路径，箭头含义同上；c 最优 FAMACs 基钙钛矿太阳能电池在 300 K 和 220 K 下的光伏性能对比；d 引入 DMBSA 对钙钛矿层进行缺陷钝化的电池结构示意图；e 具备强化散热能力的钙钛矿太阳能电池结构示意图，以及在不同温度冷却测试中的红外热成像图；f 基于热触发动态二硫键交换的 HDSF 自修复行为机理示意图；g 基于 HDSF 的钙钛矿太阳能电池在热循环过程中的归一化光电转换效率(PCE)变化曲线。

图 6 系统展示了钙钛矿太阳能电池在高温与热应力作用下的降解机制，以及对应的热稳定性提升策略。图6a、b 示意图分别阐明了 FAPbX 与 MAPbI₃型钙钛矿在光照和热胁迫下的化学键断裂、离子迁移与不可逆分解路径，明确了热致降解的关键过程。c 图对比了优化后的 FAMACs 基钙钛矿电池在常温和低温(300 K 与 220 K)下的光伏性能，体现其在极端温度环境中的应用潜力。图6d展示了利用 DMBSA 分子对钙钛矿层进行缺陷钝化以抑制热降解的结构设计,e 图呈现了具备强化散热结构的钙钛矿电池示意图及不同温度下的红外热成像结果，直观反映散热优化效果。图6f揭示了基于动态二硫键交换的热触发自修复机理，使器件在受热损伤后可部分恢复性能；g 图则通过热循环测试中归一化光电转换效率(PCE)的变化曲线，直接验证了该自修复体系对提升电池热循环稳定性的实际效果。

图7. 钙钛矿太阳能电池的湿气诱导降解机制及对应抑制策略。a 钙钛矿薄膜在水滴接触后随时间降解的实物图；b 钙钛矿薄膜中湿气诱导降解的示意图，降解从晶界处开始并横向扩展；c 用于 3D 钙钛矿表面与界面缺陷钝化的典型铵基阳离子与阴离子结构；d 有无 PEG 修饰的钙钛矿薄膜经喷水 60 秒、暴露空气 45 秒后的颜色对比照片，以及器件自修复机理示意图；e 第四代双 - MPA-NHBoc 树枝状大分子(NHD)的分子结构与基于 NHD 的钙钛矿太阳能电池示意图，以及原始与 NHD 修饰器件的归一化 PCE 循环恢复测试对比。

图 7 系统展示了钙钛矿太阳能电池的湿气诱导降解机理及相应的防潮、钝化与稳定性提升策略。图7a 通过在水滴接触后随时间不断降解的外观照片，直观展现了水汽对钙钛矿材料的快速破坏作用，并结合示意图(图7b)，清晰揭示了湿气主要从钙钛矿薄膜的晶界处侵入，逐步横向扩展引发材料分解的典型降解路径。图7c展示了多种常用于 3D 钙钛矿表面与界面缺陷钝化的典型铵基阳离子和阴离子结构，通过缺陷钝化可以有效阻断水氧入侵通道。图7d 对比了有无 PEG 修饰的钙钛矿薄膜在喷水与空气暴露后的颜色差异，并阐释了 PEG 修饰赋予器件的抗水性与自修复机理；。图7e展示了第四代双 - MPA-NHBoc 树枝状大分子 NHD 的分子结构、基于 NHD 的钙钛矿电池结构，以及通过归一化 PCE 循环恢复测试证明 NHD 修饰可显著提升器件在高湿环境下的稳定性与性能恢复能力，整体完整呈现了从湿气降解机制到高效防护策略的全链条内容。

IV 极端环境下工作的PSCs

图8. 钙钛矿太阳能电池在真实极端环境下的应用验证。a MAPHEUS-8 探空火箭飞行实验示意图；b 在近空间环境中工作的高空气球示意图；c 国际空间站(ISS)MISSE-13 任务第 52 天的实拍图，黄色箭头为钙钛矿样品搭载位置；d 太阳能电池水下测试流程示意图，以及 CsPbIBr2基钙钛矿太阳能电池在不同水深下的 J–V 曲线；e 部署 25 天后因生物污损附着有机物的太阳能驱动自主水下机器人；f 户外测试场中的钙钛矿太阳能电池，绿色框为小面积器件测试区域，右侧为实验用光谱仪；g 两个结构与封装完全一致的 1 cm² 单结钙钛矿太阳能电池的长期户外 PCE、背板温度与面内辐照强度变化曲线。

图 8 整体展示了钙钛矿太阳能电池在真实极端环境下的实际搭载、现场测试和应用表现，把前面所有机理、策略落到真实场景中验证。图8a 为MAPHEUS‑8 探空火箭飞行实验示意图，用于在真实高空、近空间环境下测试钙钛矿电池在低气压、强辐射条件下的工作性能。图8b 展示了搭载钙钛矿电池的高空气球，模拟近空间极端低温、强紫外与辐射环境，验证其高空服役潜力。图8c 为国际空间站 ISS 的实拍图，黄色箭头标出了钙钛矿样品的搭载位置，是电池在真实太空环境下长期测试的直接证据。

图8d-e呈现了CsPbIBr₂ 基钙钛矿电池水下测试装置与流程，并展示了其在不同水深下的光电性能曲线。在运行 25 天后的太阳能水下自主机器人 AUV，表面已出现明显海洋生物附着与污损。图8f 为户外真实环境测试平台，在自然光照、温度波动、风沙等条件下对钙钛矿电池进行长期实地测评，通过记录两块相同结构钙钛矿电池在长期户外运行中的效率变化、背板温度与光照强度，直接反映其在真实昼夜、温变循环下的稳定性(图8g)。

图9. 钙钛矿太阳能电池在极端环境中可靠应用所需攻克的关键挑战示意图。

图 9系统梳理了提高钙钛矿太阳能电池(PSCs)在极端环境下可靠性的策略，特别是目前仍需攻克的关键核心挑战：材料本征稳定性不足、在强辐照、高温、低温、高湿、沙尘等极端条件下的快速降解问题；界面缺陷与离子迁移带来的性能衰减，现有封装与防护方案难以兼顾柔性、轻量化与长期耐受性；在真实太空、水下、极地等场景下的服役寿命、大面积制备一致性和实际工况适配性等瓶颈，为未来实现钙钛矿电池极端环境实用化提供了技术发展方向。

V 结论与展望

本文围绕钙钛矿太阳能电池在太空、水下、沙漠、极地等极端环境中的应用问题展开系统研究，全面分析了其在严苛工况下面临的辐射、高温、低温、高湿、水压、风沙及生物污损等多重环境胁迫，深入揭示了钙钛矿材料因离子迁移、化学键断裂、晶格缺陷、界面解离以及水氧侵蚀等引发的性能衰减与结构失效机理。

研究针对不同环境下的降解机制，分别提出了缺陷钝化、界面修饰、抗辐照改性、热触发自修复、防潮稳定化等一系列提升器件稳定性的有效策略，并通过探空火箭、空间站搭载、水下测试及户外长期实测等真实场景验证了钙钛矿电池在极端环境下的应用潜力与可行性。

结论表明，钙钛矿太阳能电池凭借高效、轻质、柔性和可低温制备等优势，具备在极端环境中替代或补充传统光伏技术的巨大前景；但其材料本征稳定性不足、界面可靠性欠佳、封装防护体系不完善以及长期服役寿命有限等问题，仍是制约其实际可靠应用的关键瓶颈，未来需从材料设计、界面工程、多功能封装及工况适配性等方面进一步突破，以实现其在极端环境下的稳定、长效服役。

作者简介

Min Jae Ko

本文通讯作者

韩国汉阳大学 教授

▍主要研究领域

钙钛矿太阳能电池、量子点光伏、染料敏化电池及新型光电功能材料

▍主要研究成果

韩国汉阳大学化学工程系教授，先进能源材料实验室负责人，专注于器件界面调控、薄膜制备与稳定性优化。在Adv. Energy Mater.、Nano Energy、ACS Energy Lett.等国际权威期刊发表多高水平论文，h指数42。

▍Email：mjko@hanyang.ac.kr

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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