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发布：2025-10-01 · 事件：2025-10-01

点击上方蓝字关注我们 （文章全文由本期专家本人提供并同意公布，其余机构或个人未经允许请勿转载） 太空光伏应用现状与挑战 刘正新 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，长期致力于太阳电池技术研发，在硅异质结（HJT）太阳电池、柔性单晶硅太阳电池、钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池、太阳电池标准测试和标准化等领域取得多项突破。他领导的团队开发出可360度弯曲的柔性单晶硅电池，应用于临近空间飞行器、南极科考站等领域。

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点击上方蓝字关注我们 （文章全文由本期专家本人提供并同意公布，其余机构或个人未经允许请勿转载） 太空光伏应用现状与挑战 刘正新      中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，长期致力于太阳电池技术研发，在硅异质结（HJT）太阳电池、柔性单晶硅太阳电池、钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池、太阳电池标准测试和标准化等领域取得多项突破。他领导的团队开发出可360度弯曲的柔性单晶硅电池，应用于临近空间飞行器、南极科考站等领域。 01· 绪论      近年来，以美国太空探索技术公司（SpaceX）“星链计划”（Starlink）为代表的巨型星座开创了天基规模部署新时代，新理论、新材料、新器件在航天领域的快速迭代与应用，极大促进航天技术向大规模、集成化协同发展。卫星技术颠覆性、变革性、前沿性的创新与发展，正在深刻改变和重塑世界航天的版图。数据表明，2025年全年卫星发射数量是2015年的10倍。截至2025年底，SpaceX已部署超过9000颗卫星，2025年单年发射3095颗，并计划未来发射最多100万颗。卫星的研制模式正在从传统的高轨大型、高可靠、高性能、高价值向中低轨巨型星座发展。另外，“星链”系统通过高度集成化设计、商业化技术、快速迭代和规模化制造、规模化发射等理念革新，成本已降至50-100万美元/颗。      为了应对国外的竞争态势，我国发布的互联网卫星计划包括中国星网计划、低轨宽频多媒体卫星“千帆计划”等。其中中国星网向ITU提交的星座频谱申请计划建设包含12992颗卫星的庞大星座系统。“千帆计划”是除中国星网之外另一个重要的卫星互联网计划，一期将实施1296颗，未来将实现一万两千多颗卫星的组网。      在2026年达沃斯论坛上，马斯克推出了太空算力星座的新概念，计划在太空建设100GW的光伏电站，将太空算力和太空光伏推向峰尖浪口，引起国内外的广泛关注。太空算力涉及算力芯片、能源、能源和数据传输、散热四大要素技术。本章针对太空光伏进行综述介绍。 02· 空间环境     不同于地面环境，太空光伏必须针对真空、高低温交变、强辐射、原子氧、微流星体冲击、强紫外空间光谱和重力环境进行专门设计。     （1）真空环境：太空中没有大气，无法通过空气对流散热，组件主要依赖热辐射向空间散发热量。同时，在真空下，部分材料会释放内部吸附的气体或水分，可能污染卫星部件或者太阳阵表面，影响卫星和光伏的电性能。     真空条件下，不同材料的热膨胀系数差异会导致热循环时产生微裂纹或连接失效。     （2）原子氧：低地球轨道（LEO）存在原子氧（Atomic Oxygen, AO），主要源于太阳紫外光对真空中少量稀薄氧分子的光致分解，并在特殊空间环境下得以大量累积。原子氧是高活性粒子，会侵蚀有机材料和聚合物涂层，导致表面粗糙、透光率下降或机械强度降低。     光伏盖片玻璃或封装薄膜必须采用耐原子氧的材料，如空间用超薄柔性玻璃（UTG）、抗原子氧涂层等。     （3）极端温度循环：当卫星和空间飞行器在日照区受太阳直射时，光伏组件表面温度可达+100℃甚至更高。进入地球阴影或远离恒星照射区域时，温度可降至−100℃以下，而且，温度循环的时间周期极短，太阳直射-阴影、阴影-太阳直射转变时的温度循环时间小于10分钟，温度变化极端剧烈。反复的高低温循环会导致材料疲劳、焊点开裂、封装材料老化。     （4）强辐射环境：高能粒子辐射，包括太阳宇宙射线、银河宇宙射线、范艾伦辐射带中的质子和电子。晶硅太阳电池受高能粒子辐射产生位移损伤，少子寿命降低，效率衰减。砷化镓（GaAs）等III-V族化合物电池抗辐射性更好，常用于高轨或深空任务。     同时，高能粒子辐照使晶体和金属材料产生辐射硬化（Radiation Hardening），高分子和有机材料引发分子键断裂（链断裂、交联），导致材料变脆、强度下降、颜色变黄、介电性能劣化，需要通过材料选择、屏蔽层设计，提高抗辐射能力。     （5）光照强度与光谱分布：在近地轨道太阳辐照强度约1365  W/m² （AM0光谱），比地面标准测试条件（AM1.5G，约1000 W/m²）更强。     图1显示地面标准光谱AM1.5与近地空间光谱AM0的比较。由于空间环境没有大气吸收，近红外光谱区没有大气吸收产生的凹陷，光谱连续。紫外光谱区包含UV-A、B、C，真空紫外UV-C的波长范围 100-280 nm，对光伏组件的封装材料损伤性极强，需要选择抗紫外辐照的特殊封装材料。 图1 AM1.5与AM0的光谱比较     （6）微流星体与空间碎片：微流星体及废弃卫星碎片以每秒数公里至数十公里的速度运动，撞击可造成电池片破裂、表面镀膜损坏。采用多层屏蔽（Whipple Shield）、自愈合材料或将电池阵列分散布置以降低同时损毁概率。     （7）重力影响：不影响光伏本身的发电原理，但是对安装结构、热流体管理有影响。卫星和空间飞行器的姿态调整会改变光照角度，可能引起不均匀受热或阴影遮挡。 03·太空光伏     人造卫星最初使用单晶硅太阳电池，由美国贝尔实验室Pearson, Charpin, Fuller三位工程师于1954年发明，首次采用“扩散和掺杂”现代半导体技术，转换效率只有6%，是世界上第一个有实用价值的太阳能电池。 图2 1954年，第一个具有实用价值的单晶硅太阳电池在美国贝尔实验室发明     1958年，美国航空航天局（NASA）首次将单晶硅太阳电池用于小型通讯空间卫星 Vanguard I，由Hoffman mafg.公司生产，单个组件功率50 mW，共6个组件，价格1200-1500美元/瓦，卫星持续工作了7年，在此之前卫星全部采用化学电池，寿命只有2个星期，显示了空间应用的巨大优势。从此，所有空间飞行器全部采用太阳电池作为能源动力。 图3 1958年，美国首次将晶硅太阳电池用于小型通讯空间卫星 Vanguard I      1980年代，随着GaAs太阳电池的出现，由于其具有更高的光电转换效率和抗空间辐照性能，开始在地球同步轨道卫星、深空探测器等任务中替代晶硅电池，逐步成为卫星的主力电源。我国自70年代开始研制，至90年代末，单结GaAs/Ge电池实现量产，并在后续卫星任务中逐步扩大应用。 图4 卫星用三结GaAs太阳电池结构示意图      目前，我国的卫星和航天器主要采用三结砷化镓太阳电池，其结构为GaInP/GaAs/Ge,由Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池构成。为了调节各结之间的晶格失配，匹配各个子电池的电流，底电池和中电池之间、中电池和顶电池之间都设有厚度极薄的隧穿结。三结砷化镓太阳电池的优点是转换效率高，高能粒子辐照衰减小，最高转换效率34.2%（AM0），量产效率28-32%，高能粒子辐照衰减≤10%（1MeV@1E14e/cm2）。为了进一步提高提高砷化镓太阳电池的转换效率，四结、五结、甚至六结砷化镓太阳电池也被广泛研究，理论转换效率达到50%以上，四结电池最高效率达到35.3%（Spectrolab），五结电池最高效率达到36.0%，但是，四结和五结电池都未达到量产实用状态。          地球同步轨道卫星、高轨卫星、深空航天器等广泛使用三结砷化镓太阳电池，在我国已经形成完整的原材料和生产供应链体系，技术成熟度高。其缺点是成本和价格极高，早期高轨和空间站用太阳电池的价格约100万元/m2以上，随着民用航天的快速发展对太阳电池的需求量增加，三结砷化镓太阳电池的成本和价格也逐步降低，达到20万元/m2左右，但是，仍然不能满足中低轨卫星等商业航天对太阳电池低成本的需求。三结砷化镓太阳电池的成本主要由衬底材料、设备、原材料、工艺和环保处理费用决定，一般采用单晶Ge片作为衬底，4英寸Ge片的价格约300元/片。三结砷化镓太阳电池主要采用MOCVD设备制作，设备成本高，生产工艺时间长，能耗和原材料成本高。     为了降低三结砷化镓太阳电池的成本，发明了柔性薄膜砷化镓太阳电池。该电池以GaAs为衬底，采用低应力倒装多结太阳电池外延结构设计和生长，通过解键合剥离，制备三结柔性薄膜砷化镓太阳电池，而GaAs衬底可多次重复利用，目前，重复利用次数5-6次，随着工艺的进一步优化，有望达到10次以上。电池的结构和制备流程图如下所示。     柔性薄膜三结砷化镓太阳电池与Ge衬底三结砷化镓太阳电池具有相近的转换效率，厚度只有20-30微米，可以制备轻质柔性组件（太阳电池阵），实现高质量比功率的柔性太阳翼，同时，降低太阳电池和太阳翼的成本。     砷化镓太阳电池大多采用4寸Ge或者GaAs衬底，经过分割加工，主流电池尺寸为35x70mm，40x80mm，近年，也有直接采用半片结构，降低由于分割产生的损耗。     三结砷化镓太阳电池的主要供应商有上海空间电源研究所（811所）、中电科蓝天科技股份有限公司（天津18所）、乾照光电、南昌凯迅光电等。柔性薄膜三结砷化镓太阳电池的主要供应商有江苏宜兴德融科技等。 图5 低应力倒装三结砷化镓太阳电池以柔性薄膜电池的制作工艺流程示意图 （引自中国科学院苏州纳米研究所公开资料）      三结砷化镓太阳电池的太阳翼普遍采用“互联片”焊接方式实现串联。互联片由可伐合金片或银片制成，加工成具有减应力效果的“W环”（欧米茄减应力环），通过电阻焊实现熔接。W环是为了缓冲太阳翼在空间环境高低温循环过程中太阳翼各层结构材料的热力学性能差异产生的应力，利用W环结构吸收、释放由于电池片之间产生的伸缩，改善太阳翼内部的热力学平衡，有效保证太阳翼的可靠性。由于W环的材料成本高，加工精度高，其成本也高，单个W环的成本约5-10元，是造成太阳翼和卫星成本高的要素之一。  图6 卫星太阳电池阵的互联片和太阳电池的互连     由于三结砷化镓太阳电池的反向击穿电压低，通常＜10V，为了避免卫星和空间飞行器在飞行过程中由天线或者其它部件对太阳翼局部遮挡引起的热斑效应，通常在单个电池片并联旁路二极管，造成太阳电池的制作工艺复杂，成本增高。 04·晶硅太阳电池在太空光伏的应用      随着SpaceX推进Starlink计划，需要发射大量的组网卫星，低成本化成为卡脖子关键技术。为了降低卫星成本，Starlink从V1代卫星开始采用晶硅太阳电池，太阳翼变成平面堆叠结构，折叠收纳在卫星的两侧。随着卫星的迭代发展，太阳翼的面积逐步增大，从网络公开的资料显示，Starlink V1.5代卫星采用单太阳翼，面积22.68㎡。V2 Mini卫星采用双太阳翼，面积104.96㎡。V2代卫星采用双太阳翼，面积256.94㎡。而卫星的成本已降至50-100万美元，低成本化效果非常显著。 图7 Starlink卫星以及其太阳翼（引自网络公开信息）      2025年10月，SpaceX发布V3代卫星，2026年开始发射，单颗卫星重量达到2.5吨，展开后尺寸达42米×18米，太阳翼面积扩展至300-500㎡。 从网络公开的视频和照片显示，Starlink卫星的太阳翼采用PERC太阳电池，而且采用大尺寸半片电池，电池表面为6主栅贯通结构，与地面光伏结构类似，极大地颠覆了以上传统三结砷化镓太阳翼的结构和工艺。     公开资料显示，Starlink卫星的晶硅太阳电池主要由台湾元晶太阳能和美国Sunpower公司提供。台湾元晶太阳能采用PERC太阳电池技术。美国Sunpower公司太阳电池的转换效率为22%（AM0）。     随着太空光伏概念的升温，晶硅电池在太空中的应用越发受到关注，国内外研究热情升温。多个研究机构和光伏企业研究空间用晶硅太阳电池和钙钛矿。图7显示晶硅电池与砷化镓电池的高能粒子辐照衰减比较。从图中可以看出，晶硅电池的辐照衰减明显高于二结和三结砷化镓太阳电池。在晶硅材料方面，p型晶硅的载流子扩散长度损伤系数（Diffusion length damage coefficient）小于n型晶硅，因此，采用p型晶硅衬底的太阳电池具有更好的抗高能粒子辐照性能。 图8  不同太阳电池在1 MeV电子辐照下的功率保持率与电子注量关系，硅材料非电离能量损失与损伤系数关系 （R. H. Harada, et al., Proc. 21st PVSC 1148-1153, 1991; J. F. Ziegler, et al., IEEE Transactions on Nuclear Science 39, 468-473, 1992）      图9显示各种单晶硅太阳电池高能电子辐照衰减的比较，辐照计量为1MeV@1E14e/cm2，辐照环境为室温、大气压条件。从图中清晰地看出，以p型单晶为衬底的太阳电池辐照衰减低于n型单晶衬底的太阳电池，n-HJT辐照后完全失效。p-HJT和p-PERC表现出较好的抗辐照性能。 图9 各种单晶硅太阳电池的高能电子辐照衰减比较 （中国科学院上海微系统与信息技术研究所提供，未优化）      根据其它研究显示，单晶硅太阳电池的高能粒子辐照衰减除衬底材料的影响外，与硅片的厚度和电池结构密切相关，硅片减薄，辐照产生的晶格位移损伤的累计浓度减少，抗辐照性能提高，因此，降低硅片的厚度具有明显改善辐照衰减的效果。另外，单晶硅太阳电池的辐照衰减与硅片的电阻率相关，需要根据电池的结构选取合适的电阻率。 图10 p-HJT辐照衰减与硅片厚度和电阻率的关系 （O. Guillot, et al., Proc. 13th ESPC 1-4, 2023;  R. Cariou,et al., IEEE J. Photovoltaics 14, 41-45, 2024）      除太阳电池外，组件（太阳电池阵）封装是太空光伏应用的重要技术要素，直接影响太阳翼的可靠性和使用寿命，也是决定太阳翼重量和成本的关键因素，需要针对卫星和空间飞行器的具体需求，开发低成本封装材料和结构，降低太阳翼的重量和综合成本。 05·钙钛矿太阳电池在太空光伏的应用     钙钛矿和钙钛矿/晶硅叠层太阳电池因其颠覆性转换效率潜力，在太空光伏领域受到高度 期待，其抗空间高能粒子辐照性能已在美国、欧洲、日本等得到验证，中国科学院上海微系统所、硅酸盐所、半导体所、北京大学等利用中国空间站舱外材料暴露实验装置进行空间实际环境验证研究，协鑫、伏羲等多个企业利用商业航天的资源进行搭载验证，取得了初步的验证成果。     空间真空环境下没有水分和氧气，对钙钛矿太阳电池的封装和长寿命使用非常有利，但是，强烈的紫外辐照是钙钛矿太阳电池需要克服的研究难题。     针对钙钛矿/单晶硅叠层太阳电池，由于玻璃封装材料和钙钛矿薄膜材料本身对高能电子不具备阻挡能力，高能电子辐照穿透玻璃和钙钛矿顶电池辐照到晶硅底电池，因此，钙钛矿/晶硅叠层电池面临与晶硅电池相同的抗高能粒子辐照难题。同时，快速的高低温循环对有机钙钛矿/晶硅叠层电池的热力学稳定性也是极大的挑战，需要充分验证。 06·太空光伏的展望     太空光伏给光伏产业和研发带来了新的机遇和发展空间，晶硅电池面临多个技术挑战。     （1）提高转换效率：在相同空间光谱（AM0）条件下，晶硅电池的转换效率只有20%左右，低于现有三结砷化镓太阳电池（＞30%），针对相同的功率需求，需要增加太阳翼的面积1.5倍以上，考虑晶硅电池的辐照衰减高于三结砷化镓太阳电池，太阳翼的面积可能增加1.7倍以上，不仅增加太阳翼的重量，而且加大太阳翼的调节难度，影响卫星和飞行器的稳定性，需要提高转换效率，缩小与现有三结砷化镓太阳电池的差异。     （2）降低高能粒子辐照衰减：晶硅太阳电池的高能粒子辐照衰减明显高于三结砷化镓太阳电池，而且，辐照衰减受晶硅材料本身基础特性限制，降低辐照衰减难度很大，需要加大研究投入进行技术攻关。由于高能电子的穿透性强，空间盖片玻璃和有机材料不具备高能电子防护功能，钙钛矿/晶硅叠层太阳电池同样受底层晶硅太阳电池的影响，需要降低晶硅底电池的辐照衰减。     （3）提高空间环境稳定性：晶硅电池和钙钛矿/晶硅叠层电池的电性能和结构不同于现有三结砷化镓太阳电池，如果采用同样的封装方式和结构，降本空间有限，甚至因为增加太阳翼的面积和重量，反而导致太阳翼和运载成本增加，延缓替代速度，因此，需要针对晶硅和钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的特点，开发低成本的新型封装材料和结构，保证太阳翼的稳定性和可靠性，降低成本和重量。     （4）降低太阳电池的面密度：当前，SpaceX的星舰运载成本约1000-3000美元/kg，马斯克宣称可以进一步下降10倍，达到100-300美元/kg。我国的火箭运载成本约5-10万元/kg，与SpaceX有很大的差异，运载成本的下降需要时间周期，受限于运载火箭的发展提高，因此，需要从太阳电池层面降低面密度和重量，从而降低卫星的发射运载成本。     太空光伏受限于火箭运载、太阳电池的效率和面密度、能量传输和散热、系统运维等诸多条件，需要进行系统的基础研究和技术开发，借助于我国完整的光伏产业链和技术公关能力，预计可以取得领先的成果，非常值得期待。     《2026中国光伏技术发展报告》即将发布 敬请期待 欢迎关注光伏专委会公众号平台及官方微信 随时随地获取最新讯息