Nature reviews materials ：钙钛矿光伏——机载航天大有可为！

薄膜太阳能电池在太空中提供成本效益高且可靠的能源方面具有很大潜力，特别是在多结应用中。为了提高效率、稳健性和集成性，必须将电池级的进展与组件和面板设计的改进相结合。确保太阳能电池能够提供持续的性能对于最小化太空垃圾也至关重要。

自20世纪60年代以来，太空产业经历了快速增长，特别是在商业领域，这一增长得到了私人和公共实体的支持。这个快速增长的证明之一是许多新的国家太空机构的成立，仅2014年以来就有17个，总数已超过70个。这些机构年预算超过620亿美元，旨在发展主权能力，建设、发射和操作航天器（如卫星），用于载人航天、遥感、导航和通信以及对外太空的探索。

这些太空活动需要一种具有成本效益、可持续的机载能源来源，如太阳能光伏技术。传统的太空光伏技术基于III-V族材料（如砷化镓与磷化铟和锗用于多结电池），因为它们具有高性能和抗辐射能力。然而，它们的成本较高（>70美元/瓦特或>10,000美元/平方米）。对于具有韧性、成本效益高且轻便的光伏技术的需求日益增加，薄膜光伏技术可能有效地满足这一需求。

当前太空太阳能光伏技术的现状

自2020年以来，商业卫星星座的发射数量（指多个人工卫星作为一个系统共同工作）已翻了一番以上，支持全球通信、地球观测、导航和其他基于太空的应用。大卫星（>300千克）发射成本的急剧下降也加速了航天器设计、建造和操作的进展。

由于其重要性，使用Starlink卫星可以估算机载太空光伏的需求。为了支持低地球轨道的Starlink卫星互联网星座，仅这一项目在短期和中期内就可能部署10,000颗卫星，约需要100万平方米的太阳能电池。若加上其他商业星座，需求量将翻倍。

根据具体应用，太阳能阵列子系统可能占航天器总硬件成本的30-50%，尤其是在使用传统的III-V族电池时。此外，因供应商有限且未能满足日益增长的需求，这些材料的供应限制可能会制约太空技术的发展与增长。因此，广泛应用于地面技术的硅电池正被采用在一些当前的航天器中。这一增加的应用反映了行业对可评估且具有成本效益的技术的需求，以及其愿意承受一定程度风险的态度。硅电池在地球上的普及使得行业能够利用现有的知识。与单纯依赖传统的广泛测试（该过程既昂贵又复杂）不同，硅电池的可靠性可以通过地面和飞行中的测试相结合来评估，这可以利用降低的发射成本。这种方法加快了获得飞行遗产的途径（飞行遗产指在太空任务中已建立的示范或操作记录）。然而，硅电池远非理想选择，因为它们更容易在太空环境中受到辐射的降解，原因是硅电池引入点缺陷的速度较高。由于硅的间接带隙，为了有效吸收阳光，需要一定的厚度，这又导致与直接带隙材料相比，辐射诱导缺陷的引入较多。

太空应用的新兴光伏技术

由于薄膜太阳能电池具有较低的制造成本、高特定功率（功率与重量的比率）以及对太空辐射的抵抗力（见表1），因此在太空光伏技术中重新引起了关注。除了特定功率外，高面积功率输出（W/m²）与高功率转换效率相关，这对于太空应用至关重要。对于这些应用，基于化合物半导体的电池非常有前景，因为其带隙可以调节（例如，通过改变成分）以用于多结电池。多结太阳能电池提供比单结电池更高的功率转换效率（双结电池约42%，三结电池约48%，在AM0光谱下），而单结电池的效率约为30%。因此，可以轻松实现多结结构的薄膜电池技术非常受欢迎。在多结太阳能电池中，不同带隙的电池（最靠近太阳的一侧带隙最大）吸收太阳光谱的不同部分，从而最小化带隙以下和热化损失。多结电池的单体集成包括将一个结直接制造到另一个结上，或通过电气连接将一个结与另一个结连接，形成一个具有两个端子的单一连续太阳能电池。这是一种优雅的方法，可以通过一个正端子和一个负端子连接整个电池，简化其在太阳能组件中的集成。机械堆叠是另一种集成方法。虽然它允许对每个结进行独立优化，但需要额外的布线（例如，双结需要四个端子，三结需要六个端子），增加了重量，这对于太空应用来说并不理想。

约20年前，第一批用于太空应用的薄膜太阳能电池是Cu(In,Ga)(S,Se)₂（CIGS）太阳能电池。大约经过15年，才有其他技术，如CdTe、CZTS和CZTSSe开始得到研究。有机光伏和金属卤化物钙钛矿也表现出令人鼓舞的辐射抵抗力和在太空环境中的稳定性。在这些技术中，钙钛矿电池尤为突出，因为它们的功率转换效率如今已与领先的太阳能电池材料（如砷化镓）相媲美，满足了它们用于多结的先决条件。在多结中，只有那些能够提供相对高效率的结才应被使用。一个不良的多结实现示例是将一个低效的结堆叠在高效结之上，这样会夺走底部结的宝贵阳光，进而降低其效率，完全违背了多结的设计目的。从长远来看，像钙钛矿–超薄硅双结甚至钙钛矿–钙钛矿–超薄硅三结这样的多结设计，可能成为现有III–V太空电池的竞争替代品。它们的可行性取决于超薄（20–60μm）晶体硅电池是否能提供比地面级厚电池更好的辐射抵抗力，而不增加（过多的）额外成本或吸收损失。此外，这种方法依赖于钙钛矿能够承受比地面环境中更多的极端和快速热波动。

需要注意的是，太空光伏的研究与开发不应仅仅集中在电池级别的改进上。组装和面板设计类型（见补充图1）最终决定了面板的最终特定功率、稳健性以及集成到航天器上的易用性，这直接影响整体成本。因此，组装材料应轻量化，覆盖材料应具备光学透明性、在紫外线和真空紫外线中的稳定性、红外线发射性用于热控制，并且在暴露于质子、电子和原子氧时具有光学、机械和化学稳定性。覆盖材料还需要具备导电性，以便消耗航天器充电过程中的积累电荷，特别是在同步轨道中。与传统太空级覆盖玻璃相比，允许更大物理柔性的替代材料如今已经得到开发（见补充图1和补充表2）。

薄膜（<10μm）太阳能电池更像是一种涂层，而不是自由站立的电池。因此，如果它们能够承受电池处理条件（例如，使用溶剂、高温或等离子体），那么组装材料也可以作为电池制造的基板。例如，覆盖玻璃可以用于太阳能电池层的沉积和图案化。在这种情况下，可以去除至少一侧的粘合剂，从而减少重量。

尽管薄膜太阳能电池因其固有的柔性而受到推崇，但可穿戴应用所需的特定机械变形，如拉伸、扭曲和皱缩，并不适用于太空应用，因为这些阵列通常是支撑的。它们只需要适应弯曲、卷曲或折叠以便有效部署，这意味着它们只需要适应不同程度的弯曲，弯曲半径从几厘米到亚毫米级别（例如折叠）。对于高功率需求的太空任务（≥25 kW），柔性太阳能阵列是有益的，因为它们可以部署更大面积的太阳能电池，而不会显著增加系统的质量。柔性太阳能阵列的部署示例包括日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“太阳辐射加速的行星际风筝（IKAROS）”和“外太阳系探测和航天宇航风筝（OKEANOS）”，以及美国国家航空航天局（NASA）的“UltraFlex”和“Roll-Out Solar Array（ROSA）”。这些阵列本身通常是半刚性的，电池之间可以折叠。电池本身在一定程度上是可弯曲的，但弯曲半径较大。因此，薄膜太阳能电池不应是开发柔性太阳能阵列的唯一重点，柔性基板、柔性印刷电路、粘接技术、绝缘或导电粘合剂、互连、柔性电极、部署机制和结构设计的进展同样重要。

总结来说，高功率转换效率且在使用寿命结束时仍能保持性能的太阳能电池对于太空中的可持续发电至关重要。长寿命可以最小化发射到太空的光伏装置的质量和体积，并减少它们对太空垃圾的贡献。尽管同步轨道卫星在退役时会被送往墓地轨道，但低地球轨道中的卫星和垃圾过度拥挤可能会成为问题。随着太空光伏技术的使用增加，应该研究阵列材料重新进入或燃烧大气层时的效应及潜在危害。

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