鈣鈦礦太陽能電池因高效率與缺陷容忍性成為新一代光伏技術的重要候選，但其在太空等高輻射、極端環境下的長期穩定性面臨嚴峻挑戰，質子輻射易引發鈣鈦礦晶格結構損傷、有機組分降解及缺陷態形成，導致電池性能嚴重衰退。美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過無接觸式測試，監測各個工藝段中的異常，了解單節疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本研究提出一種氧化鈰（CeO?）與正辛基碘化銨（OAI）協同的“雙鈍化”后處理策略。氧化鈰憑借其高位移能、氧化還原活性及輻射屏蔽特性，可有效抑制質子輻照誘導的空位形成與化學鍵斷裂，同時增強晶界穩定性與結晶質量；OAI則優化界面能級對齊，提升空穴提取效率并降低非輻射復合。該復合處理使電池在保持高效率的同時，顯著提升了其在質子輻照、持續光照及濕熱條件下的耐久性，為發展適用于太空等惡劣環境的耐輻射鈣鈦礦光伏技術提供了有效途徑。

研究思路與材料設計

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受太空組件輻射屏蔽蓋板材料啟發，本研究將氧化鈰引入鈣鈦礦活性層。氧化鈰具有高原子序數、高鍵能及抗輻照的螢石結構，但其n型特性可能與傳統p型空穴傳輸層形成不利能帶偏移。

為此，我們同步引入具有p型特性的正辛基碘化銨作為共鈍化劑，調控界面能級、促進空穴提取。兩者結合形成的“OC處理”可協同鈍化晶界與表面，平衡界面電學性質，從而實現更高效的電荷收集與更低的復合損失。

模擬分析與材料制備

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(a) 0.05 MeV質子能量的SRIM/TRIM模擬結果。(b) 總空位數與(c) 氫空位數隨鈰濃度的變化關系。(d-f) 不同CeO?比例下，空間環境信息系統模擬的(d) 非電離能量損失、(e) 電離能量損失及(f) IEL/NIEL比值隨粒子能量的變化關系

通過SRIM模擬質子與鈣鈦礦的相互作用，發現0.05 MeV質子在鈣鈦礦層中產生顯著空位，適合模擬空間輻射環境。進一步模擬表明，隨著鈰含量增加，總空位及氫空位數量明顯下降，說明鈰具有抑制輻照缺陷的作用。非電離與電離能量損失分析也證實，氧化鈰摻入可減輕質子導致的晶格損傷與電離效應。

在材料制備方面，采用溶液后處理法將CeO?納米顆粒與OAI共分散于異丙醇中，旋涂于鈣鈦礦薄膜表面并退火。ToF-SIMS深度分析表明鈰離子在吸收層內均勻分布。結構表征顯示OC處理薄膜結晶度提高，晶格略有收縮，XPS結合能位移說明CeO?可能與晶界處未配位的Pb2?、I?產生靜電協調作用。

光電性能與穩定性

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(a) 鈣鈦礦器件結構示意圖，展示了在鈣鈦礦層上的OAI、CeO?及OC處理層。(b) 飛行時間二次離子質譜分析結果。(c) 不同處理條件下（參比、CeO?、OAI、OC）的穩態光致發光PL譜。(d) 參比、CeO?、OAI及OC樣品在反向掃描下的J-V曲線。(e) 不同處理條件下鈣鈦礦太陽能電池器件的EQE譜。(f) 參比、CeO?、OAI及OC樣品的最大功率點跟蹤穩定性測試結果

光電測試表明，OC處理電池在反向掃描中獲得最佳性能：VOC=1.19 V，FF=82.3 %，PCE=24.9 %。

穩態與時間分辨光致發光PL顯示OC樣品具有最高的發光強度與載流子壽命（207.5 ns），證實氧化鈰與OAI在抑制非輻射復合方面具有協同效應。

外量子效率EQE在全光譜范圍內均獲提升。

穩定性方面，最大功率點MPPT跟蹤測試顯示OC電池在持續光照1050小時后仍保持83%的初始效率，顯著優于參比樣品。

濕熱測試中OC電池也表現出更長的壽命維持。開爾文探針力顯微鏡分析表明，OC處理能優化表面電勢分布，有利于電荷提取。

質子輻照耐受性分析

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(a, b) 不同質子注量下，參比與OC鈣鈦礦薄膜的PbI?及(100)晶面XRD圖譜。(c) 水分、光照、熱量及質子輻照誘導鈣鈦礦結構降解的機制示意圖。(d, e) 注量為2×101? p/cm2時，參比與OC樣品的表面SEM圖像；(f, g) 注量為2×101? p/cm2時的表面SEM圖像。(h, i) 注量為2×101? p/cm2時，參比與OC樣品的截面SEM圖像；(j, k) 注量為2×101? p/cm2時的截面SEM圖像

對OC與參比樣品進行系統質子輻照實驗（0.05 MeV，注量2×1012–2×101? p/cm2）。XRD分析表明，隨著注量增加，參比樣品鈣鈦礦（100）衍射峰逐漸寬化、強度降低，而OC樣品在2×101? p/cm2注量以下仍保持較高結晶完整性。SEM結果顯示OC樣品表面孔洞和體層空洞形成更少、更晚。

(a) 參比與(b) OC樣品在質子輻照前后C≡N鍵的傅里葉變換紅外光譜波數位移。(c) 參比與(d) OC樣品在質子輻照前及經歷2×1012至2×101? p/cm2注量輻照后的N 1s XPS譜

FTIR與XPS分析揭示，輻照后參比樣品中C≡N鍵發生藍移，N 1s譜出現質子化胺信號，表明有機陽離子受損；而OC樣品化學鍵變化顯著較小，說明氧化鈰有助于維持有機組分的結構完整性。

(a, b) 參比與OC樣品的時間分辨光致發光結果。(c) 穩態光致發光結果，比較了輻照與非輻照樣品的ΔPLMAX/PLMAX輻照前比值。(d) 接觸電勢差隨不同質子輻照注量水平的變化。(e) 質子輻照誘導晶界損傷的示意圖。(f) 質子輻照影響下晶界處能帶彎曲的示意圖

(a) 質子輻照后鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖，展示了PTAA與金電極的沉積。(b) 不同質子輻照注量下，參比與OC樣品的剩余效率參數。(c) 不同質子輻照注量下，OC與參比樣品的歸一化參數比值。(d, e) 不同質子輻照注量下，參比與OC樣品的外量子效率譜

電學性能方面，OC電池在2×101? p/cm2注量下效率僅下降約19%，遠低于參比電池的25%降幅，各參數（JSC、FF、VOC）的下降幅度均更小。空間電荷限制電流測試進一步證實，OC樣品在輻照后的陷阱態密度增加更少。

本研究通過OAI輔助后處理將氧化鈰納米顆粒成功整合至鈣鈦礦吸收層，構建了雙重鈍化體系。該策略在提升電池效率的同時，顯著增強了其在質子輻射、持續光照及濕熱條件下的穩定性。機理研究表明，氧化鈰不僅能抑制輻照引起的結構損傷與化學降解，還能協同OAI優化界面能帶與電荷傳輸動力學。該工作為發展適用于太空等極端環境的高耐受性鈣鈦礦光伏技術提供了有效的材料解決方案，并指明了通過高Z氧化物摻雜實現界面輻射防護的未來研究方向。

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀

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大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀通過非接觸、高精度、實時反饋等特性，系統性解決了太陽能電池生產中的速度、良率、成本、工藝優化與穩定性等核心痛點，并且結合AI深度學習，實現全自動缺陷識別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時清晰呈現高亮區域（如無缺陷區）與低亮區域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測缺陷：檢測速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識別分類訓練：實現全自動缺陷識別與工藝反饋

美能大平臺鈣鈦礦電池PL測試儀采用無接觸式測試方式，可實時監測鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質量異常，精準定位單結及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Cerium Oxide Incorporation for Radiation Tolerance and Stability in Perovskite Solar Cells

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