国金电新姚遥｜太空光伏专题（一）技术篇

作者：姚遥

摘要

■ 投资逻辑

我们重点看好“太空光伏”作为未来一段时间、乃至贯穿2026年的最强电新主线之一！太空光伏底层投资逻辑坚实而紧迫：1）唯一性：光伏是当前及可见未来所有航天器长期在轨运行唯一可行、可靠的供电解决方案，技术路径无可替代；2）紧迫性：国际电信联盟（ITU）确立的近地轨道与频谱资源“先占先得”规则，使得卫星发射数量与部署速度直接关乎国家空间战略优势与商业主动权，驱动卫星市场对高性价比、轻量化空间太阳能系统的迫切需求。后续围绕这一主线，我们将以系列深度报告的形式进行研究，本篇作为开篇，聚焦太空光伏技术的历史与未来，详解不同技术路线的特点，把握最前沿、最有应用潜力的技术投资方向。

唯一性——太空供电的必然选择：在功能卫星、算力星座的设计轨道环境中，乃至未来火星基地，太阳能是唯一能够实现长期、稳定、轻量化供电的能源形式。在极端环境中，持续能源的选择面极为有限，化学电池能量密度有限且无法自主补充；核能力系统成本高昂、审批复杂，相比之下，光伏技术可以直接、持续性地将丰富的太阳光能量转换为电能，并且具备“高效、轻质、低成本、柔韧、抗极端环境”等特性，满足大规模、高功率卫星的部署和设计趋势。

迭代性——技术路线从“高可靠性”迈为“高性价比”：我们认为太空光伏的技术路线在高性价比诉求下将进入迭代阶段，短期晶硅是相对成熟、性价比较高的技术，长期纬度晶硅/钙钛矿叠层、钙钛矿多结电池有望得到快速的发展。当前三结砷化镓（GaAs）电池凭借其超高的效率和优异的抗辐照、耐温差性能，在卫星电源分系统的电池环节占据主导地位，但复杂的制备工艺和稀缺高昂的原材料价格使电池成本居高不下，难以满足未来GW级以上低成本商业卫星的大规模部署需求；晶硅电池具备成熟的地面产业化基础、极低的制造成本和历史在轨数据支撑，符合卫星市场的性价比诉求，市场渗透率正在逐步提升，但效率上和主流技术存在较大差距；出于对晶硅电池提效和稳定性的考虑，晶硅-钙钛矿叠层技术有望成为平衡高效率与低成本的下一代技术路线。

壁垒性——传统企业难以快速切入：太空光伏绝非仅是地面技术的简单升级，而是一个集尖端技术、极限测试与稀缺应用资源于一体的高壁垒领域。产品技术方面，太空环境中存在不同于地面的辐射、极端温度循环、全光谱照射、原子氧侵蚀等情况，与地面光伏提效和建立高可靠性的研发思路不同，太空光伏产品的开发需要以特定环境参数为基础、定向研究。地面测试验证方面，太空光伏产品需要依赖昂贵且稀缺的大型空间环境模拟装置进行长达数月甚至数年的地面可靠性验证，测试标准与数据积累构成深厚护城河。在轨应用渠道方面，与地面光伏需要央国企电站实证测试类似，太空光伏产品最终需要搭载航天器进行在轨验证与飞行应用，紧密依赖于航天系科研院所及卫星发射机会，客户粘性强，先发合作优势明显。因此我们认为长期从事航天领域、已进入供应链、具备完整空间环境模拟测试能力与工程化经验的“国家队”或战略科技企业有望在这一市场中率先获得良好卡位并表现出显著的先发优势。

投资建议与估值

针对商业航天加速以及太空算力规划所带来的太空光伏环节投资机会，我们建议关注三大方向：1）具备独特卡位和先发优势的光伏电池片制造商；2）光伏设备头部供应商；3）太空环境特殊膜材料供应商。

风险提示

商业航天产业发展不及预期，电池技术迭代不及预期。

+目录

目录

一、从太空光伏发展历史看技术趋势

二、太空光伏由“高性能”向“性价比”策略转型

2.1太空环境中有什么？

2.2三结砷化镓电池：高效、耐辐射，但资源稀缺导致价格居高不下

2.3空间适用型晶硅电池：兼具性价比与实证历史，P型、薄片化为适配方案

2.4晶硅-钙钛矿叠层：效率对标砷化镓，成本对标晶硅的下一代技术展望

风险提示

正文

一、从太空光伏发展历史看技术趋势

太阳能在卫星上的应用最早可以追溯到1958年，美国先锋一号卫星采用六块晶硅光伏电池组成的太阳翼阵列为一台5mW的发射器提供能量，此后太阳能以及晶硅技术成为主流的卫星供电方案，电池效率从不到10%提升到15%以上。

1965年，前苏联Venera3卫星首次使用砷化镓电池；1995年，第一颗商业通信卫星MEASAT使用单结砷化镓作为主要供电单元，太阳能阵列设计提供了完整的数据库，并证明砷化镓电池满足航天器全生命周期供电需求，此后砷化镓电池逐步取代硅电池成为航天器的基本发电单元，并逐步从单结型发展为生长在锗基材上的多结型。

随着航天器有效载荷和性能需求持续推动更高的电力需求，解决空间能源需求已超越仅仅提升太阳能电池光伏转换效率，对功率比、存储空间、结构重量以及展开/收放能力的要求，加速了柔性技术结构的发展和进步。最早的刚性太阳翼作用于先锋一号，20世纪80年代中国的东方红四号卫星也采用了典型的刚性太阳能电池阵列；同时期美国宇航局哈勒太空望远镜开始使用安装在柔性材料上的太阳能电池，2021年ROSA（展开式太阳能阵列）首次搭载成为飞行器驱动能源，同年中国空间站首个柔性太阳能阵列系统部署成功。

二、太空光伏由“高性能”向“性价比”策略转型

2.1太空环境中有什么？

对太阳能电池而言，太空环境与地面环境的主要差异可以总结为三点：光照强度和光谱范围；水、氧、太空辐射等物质；温度。

1）光照强度和光谱范围

太阳光的辐照强度随着与太阳的距离越远而减弱，由于大气层对太阳光有反射、漫散射、吸收等作用，实际达到地面的太阳辐照强渡只有30%左右，研究上将地面接收到的太阳光称为标准光谱AM1.5g，光强定义为1000W/㎡；太空中的太阳光谱称为AM0，光强约为1361W/㎡。

同时太阳光谱范围有着巨大的差异，在太阳光穿过大气层到达地表的过程中，波长小于300nm的光（紫外波段）被大气层中的氧气、臭氧、氮气吸收，波长为900nm、1100nm、1400nm、1900nm的光（近红外）被水蒸气吸收，1800nm及2600nm的光（短波红外）被CO₂吸收，中波、长波红外光几乎无法到达地面。

2）水、氧、太空辐射

不同于大气层内是一个充满了水、氧气的环境，在绝大多数太空环境中，水和氧的丰度极低，可以近似认为是“极端真空”或“接近绝对真空”，但不同的轨道高度仍然面临不同的原子或质子影响。

低地球轨道（LEO）定义为离地表20-1200km的高度范围，环境中原子氧（AO）含量高达80%-90%，分子氮（N2）约占10%-20%，随着轨道高度增加、各组分密度有所减小，而原子氧的高密度（＞105/cm3）会一直维持到700km以上，因此也成为低轨环境中对航天器影响最为重要的因素之一。

在轨道上，原子氧和航天器的相对运动速度较大，原子氧相对动能高达5eV左右，足以引起表面材料的化学反应；并且原子氧本身具有强氧化性，可以与表面材料直接发生反应，产生氧化、溅射和剥蚀等作用。

中地球轨道（MEO，1200-36000km）及地球同步轨道（GEO，36000km），涉及地球外辐射带中心区域，外辐射带的电子能量可以高达MeV，同时电子通量随着时间或空间有数个量级的变化，是一个完全动态的系统；而MeV级别的高能电子具有极强的穿透性，同时可以通过充放电效应破环太阳翼。

3）温度

太空是一个冷黑背景，航天器在受到太阳辐照时温度急剧上升，当运行到地球阴影区时，温度又急剧下降；例如空间站每90分钟绕地球一圈，也就完成一次“昼夜交替”，向阳时航天器表面温度飙升至150℃以上，背阴时温度骤降至-100℃以下，这对要求电池片在短时间的极大温差下仍能保证稳定的发电能力提出了较高的要求。

2.2三结砷化镓电池：高效、耐辐射，但资源稀缺导致价格居高不下

砷化镓（GaAs）是一种三五族化合物半导体材料，与传统地面太阳能电池的光伏原理类似，光照射到砷化镓为其提供光子能量，激发价带中的电子产生电子-空穴对，电子-空穴对在内建电场（PN结）的作用下分离，并在PN结两端积累形成光生电压，也就是光生伏特效应。

这一过程中，价带顶和导带底的相对位置、带隙宽度与太阳光谱的匹配程度使得砷化镓具备较晶硅更优异的光电转换效率：1）砷化镓是直接带隙材料，更容易被光子激发；2）砷化镓的带隙宽度为1.42eV，根据S-Q极限原理，材料越接近1.34eV，越能获得更高的光电转换效率极限。

三结电池的理论极限效率是51%，根据NREL，三结及以上砷化镓电池基于小面积（＜1cm2）的地面实验室效率纪录为39.46%，大面积（＞10cm2）的地面实验室效率纪录为34.1%，考虑AM0光谱及温度对电池效率的影响，目前，航天器电源主流的GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池的光电转换效率可达30%以上。

在空间辐射环境下，位移效应是光伏电池损伤的本质原因，例如半导体材料中的晶格原子在受到宇宙辐射（高能粒子）碰撞后脱离正常位置，位移形成“空穴-间隙原子对”，这类缺陷作为复合中心会导致光伏器件少子寿命下降、载流子浓度降低、少子迁移率下降，进而体现为电池效率衰减。

而实验表明，砷化镓具备较为优异的耐辐射能力，主要原因1）GaAs是极性半导体，原子间的结合兼具共价键和离子键特征，且Ga-As键长短，原子核对外层电子的吸引力较强，要使原子位移所需要的能量更高。2）GaAs内部缺陷达到一定峰值后，进入 “自退火”过程，缺陷复合并最终达到相对稳定的状态。3）GaAs是直接带隙半导体，电子被激发到导带所需能力较低，即使载流子寿命和迁移率在辐射下降低，仍有大部分载流子能被电场收集，效率衰减速度相对平缓。

然而，与晶硅电池制作PN结需要进行元素掺杂一样，三五族化合物本身是本征的，也就是没有N或P的导电类型区分，因此需要在外延或者化学气相沉积（MOCVD）的过程中进行掺杂，这也使得空间场景应用的三结砷化镓电池结构及其复杂，一般需要生长近30层外延，并且外延结构的设计、每一层外延生长质量都直接影响整个砷化镓太阳能电池的性能。

除了制备难度以外，现阶段在Ge衬底和GaAs衬底上外延砷化镓是最主流也最成熟的方案。锗和镓的全球储量资源稀缺、分别约为8600吨/23万吨，且锗和镓多以伴生矿形式出现，开采难度较大，2024年产量分别约为220吨/760吨，假设全球每年发射1万颗星且单星太阳翼面积为100㎡，若全部使用三结GaAs电池，测算Ge和Ga的用量约为850吨/10吨。

资源紧缺导致价格昂贵，2025年初，锗价一度攀升至接近20000元/kg，镓价也基本位于1600元/kg左右，远高于铁、铜、铝等常见金属，并且考虑其战略价值和应用前景，价格具有较强支撑。

2.3空间适用型晶硅电池：兼具性价比与实证历史，P型、薄片化为适配方案

在空间光伏需求激增与低轨卫星群成本削减压力并存的背景下，太空光伏技术从传统“优质高端”向“性价比”策略转型。晶硅电池在太空供能中有着重要的历史地位和现实应用，同时又在地面场景大规模产业化发展的漫漫长河中，制造成本大幅下降，有望随着卫星市场的商业化提速而迅速渗透。

不同于地面市场在提效导向下已经从P型主流迭代到了N型时代，P型晶硅在太空这类高辐射的特殊场景下反而表现出更为优异的抗衰减特性：1）P型硅内的B-O复合缺陷对的能级较深，少子被捕获后难以再热激发回能带，缺陷中心复合过程慢；2）高能粒子辐照容易形成氧空位缺陷，这类缺陷在P型硅中对少数载流子（电子）的俘获几率较低，少子寿命相对更长；3）高能粒子撞击所形成的缺陷，易使N型硅转变为P型，导致PN结构失效。

P型晶硅技术路线可选的有BSF、PERC、P-HJT、P-IBC，其中BSF电池在高能辐照下，背表面场对效率的优势会消失，功率显著衰减；xBC电池由于P区和N区都在电池背面，电流依赖基区横向传导，缺陷所导致的电阻率增加，即使是极其微小的，也会引起巨大的串联电阻损耗，导致输出功率显著下降。

在剩下的技术选择中，PERC在空天应用场景的成熟度更高，P-HJT则是在效率、薄片化方面具备显著优势。

1）根据《Investigation of p-type Silicon Heterojunction Radiation Hardness》，60um硅片厚度的HJT电池效率与180um硅片厚度的PERC电池基本持平。在卫星太阳翼上使用薄片化电池不仅是能满足其柔性的需求，还与电池效率的衰减幅度有关，硅片越厚，少数载流子扩散长度越长，辐射诱导的缺陷会大幅降低载流子的扩散长度，导致基区载流子收集概率下降，效率衰减更快。

2）结构是电池效率的重要因素，PERC采用氧化铝/氮化硅钝化结构，主要原理是化学钝化和场效应钝化；HJT采用非晶硅钝化，用异质结构取代同质结，开路电压更大；HJT结构对称、具有超高双面率；HJT为低温制程，对少子寿命的影响较低，提升短路电流。

2.4晶硅-钙钛矿叠层：效率对标砷化镓，成本对标晶硅的下一代技术展望

钙钛矿是ABX3结构立方晶系化合物的统称，A、B、X位被三种不同类型的离子占据，每个类型对应的种类丰富的具体离子，不同的离子组合可以获得物理特性不同的钙钛矿材料。A位离子决定钙钛矿材料的体系，目前常用甲胺离子（简写MA+，分子式CH3NH3+）、甲脒离子（简写FA+，分子式HC(NH2)2+）、铯离子（Cs+），其中采用铯离子为全无机钙钛矿配方。

钙钛矿在地面端的产业化推进艰难，最主要的原因是钙钛矿是盐类，在制造过程中或制造过程之后，一旦接触到水分子就容易降解，在潮湿的环境中仅仅几个小时就可能导致器件完全失效；同时钙钛矿在地面端还会受到高温和氧气的影响，然而有研究发现将钙钛矿电池封装在透明空间级硅胶密封胶中，放置于超过880h的湿热环境（30℃±5℃，95% 相对湿度）下，封装样品的化学计量未发生任何可检测的变化，侧面反映当处于缺乏水汽和分子氧的太空环境下，钙钛矿降解的两大不利因素自然消除，甚至可以简略组件封装端的需求。

除此之外，钙钛矿晶体表现出对缺陷极高的耐受性，因为钙钛矿中的缺陷能级是在价带或导带内形成的，而非在带隙中形成，不会导致非辐射复合，研究表明钙钛矿太阳能电池抗高能量和高通量辐射的能力，优于目前在太空中使用的基于硅和三五族半导体的传统光伏技术。

钙钛矿材料的光吸收系数高，膜厚仅需几百纳米，使钙钛矿电池具备较高的能质比，柔性单结钙钛矿能质比约为30W/g，相对晶硅电池、三结砷化镓电池均不到1W/g，钙钛矿更适合满足航天器对轻量化能源系统的需求，有望成为空间光伏的优选材料。

而由于应用环境的变化，太空钙钛矿材料的配方和测试条件实际与地面有显著不同。在空间环境中影响钙钛矿电池的主要因素是热循环高真空、质子辐射、电子辐射、伽马射线、紫外射线，例如研究表明通过引入额外的碘离子来控制碘相关缺陷的存在，可以增强钙钛矿对质子辐射的抵抗力，但对于地面钙钛矿配方而言，碘离子易氧化，在光照或湿度下可能加剧钙钛矿的分解。

从测试标准来看，地面光伏组件在可靠性认证上通常采用双85测试（温度85℃、湿度85%RH），但对于每90分钟经历一次±150℃极端热冲击的太空钙钛矿电池，目前的测试方法并不契合。而更重要的，除了热循环测试、质子辐照测试等等，原子氧测试和抗振动方面的测试资源是目前行业最为欠缺的。

此外，在低成本迭代路线上，要想获得可以对标三结砷化镓电池的转换效率，多结叠层技术是必要方案，钙钛矿材料的带隙可调特征和薄膜形态，使得可以轻松地与传统晶硅电池叠加使用。根据SCI论文《Opportunities and challenges for tandem solar cells using metal halide perovskite semiconductors》中的计算，晶硅电池带隙~1.1eV，与带隙范围1.6-1.75eV的钙钛矿材料搭配，可以实现接近44%的理论极限效率。

在晶硅电池的太空应用已经具备案例和成熟性认证的情况下，晶硅-钙钛矿叠层电池被认为是帮助晶硅电池效率快速提升的重要途径之一，也有望较快得到终端客户试样验证。

风险提示

商业航天产业发展不及预期：太空光伏电池片是卫星太阳翼的重要组成部分，若全球卫星星座建设因融资环境变化、关键技术突破迟滞或政策监管不确定性等因素放缓，将导致光伏产品需求规模不及预期。

电池技术迭代不及预期：新型电池技术的长期太空可靠性仍需充分验证，若其在强辐射、原子氧等极端环境下的衰减防护技术攻关不及预期，将导致产品无法满足主流星座的要求。

阅读全文

《太空光伏专题（一）技术篇：从高可靠性迈向高性价比，超高壁垒铸就蓝海市场》

报告信息

证券研究报告：《太空光伏专题（一）技术篇：从高可靠性迈向高性价比，超高壁垒铸就蓝海市场》

报告日期：2025年12月31日

作者：

姚遥 SAC执业编号：S1130512080001