国际空间站不用我们用：太阳能电池阵，天宫供电利器

太空太阳能电池

天宫空间站供电利器

天宫空间站有很多亮点，其巨型太阳能翼光电转换效率高达30%,意味着其太阳能电池只需使用国际空间站面积的一半即可超过ISS总供电量。更多更好的太阳能帆板可以发出更多更好的电力，除了可以支持科学实验之外，也可以使在里面工作的航天员更加舒适。 这就是航天用太阳能电池板所带来的好处——节能环保。但是要想真正实现这个目标并不是一件容易的事，因为在太空中太阳光线非常微弱，而且温度也很低。 坏处在于:这个东西非常昂贵和沉重，将其运送到天空中进行安装和维护非常耗费金钱，而且因为在400千米的高空轨道上还存在着稀薄空气，所以航天器越大其阻力越大，需要较多燃料才能保持轨道高度。

1839年法国19岁物理学家Edmund Beckeller制造了世界上第一块光伏电池，1905年爱因斯坦用光量子理论解释光电效应原理而荣获诺贝尔物理学奖，1954年生产出第一块实用性光伏电池，1958年太阳能电池被正式安装到卫星上。 20世纪60年代以后，随着人类对新能源认识的深入以及航天技术的发展，人们开始利用太阳光进行发电。70年代中期，美国研制出光-机转换装置—太阳帆。 从那时起，越来越多的航天器开始利用太阳能持续供电。

碍于技术发展

国际空间站逐渐放弃太阳能

但100多年来，光伏电池光电转化效率却没有得到提升，科学家们使出了吃奶的劲，将硅基太阳能电池转化率提升至30%左右，而将其安装于国际空间站的最高也不过14%。 这让人不禁要问：地球是一个巨大的真空系统，太阳和月球都离我们很远，怎么能将光和热传输给航天器？因为大气层会挡住部分阳光，而地面上太阳的强度约为大气层以上的70%～75%,但当太阳照到那里时，气温超过120摄氏度时，硅基电池的高温效率就会受到影响。

和美国不一样的是，中国空间站选用的是柔性砷化镓薄膜电池作为电源，这种电池不但薄的像蝉一样，而且不受太空恶劣环境的影响，光电转化率在30%以上~在过去的几年里。我国已发射了5艘载人飞船和2个火星探测器。

国际空间站新型太阳能电池以可伸展可回收为主要功能，采用类似于小孩子吹口哨一样伸缩口哨的原理，有趣的是这个东西首次被送去空间站进行测试，其展开时无法"内卷",只能直接丢弃。不知道这是因为我担心新电池的可靠性或认为其价格过于昂贵, NASA没有打算将国际空间站原有的太阳能帆板抛掉，而是将6个新电池叠放于旧电池之间的空隙中，从而遮挡掉部分旧电池。 美国宇航局的研究人员发现，这种做法的确有好处。他们认为，如果这些新电池能够被重新使用，那么空间站将变得更加安全和可靠。 虽然旧电池虽然已经老化，但是仍然能够产生电力，而安装新电池后能够将空间站的总发电量回复至15年前达到的215千瓦高峰。

在太阳能电池研究方面，中美两国都处于世界领先地位，除3个PN结砷化镓电池之外，科学家在更多的结和其他基底太阳能电池方面也有所进步，部分材料光电转化率达到60%以上，但是由于种种原因，这些产品仍不能进入空间。 不过，在未来10到20年里，“天和”计划有望实现商业运营。“天和”是由中国自主研发的新一代载人航天运输系统（CSTR）中的一个模块组成。 无论取得什么成果，中国空间站能效记录的30%在可预见的未来不会超过。

太阳能电池阵

天宫“能量加油站”

仔细观察不嫩发现，飞行器翅膀上装有许许多多深色玻璃的小镜子，每一个小镜子宛如一座小型太空发电站，经串联、并联后组成太阳电池阵，从而获得较高的电压和较大的电流，为航天器源源不断提供能量。它们在天上连续工作一天的发电量可抵得上一个家庭约一年的用电量！“如此大量的用电需求，需要依靠各个飞行器的太阳电池阵齐发力。”中国电科太阳电池阵专家苏彬介绍，根据每个飞行器的特质按需定制，我国打造了三代各具特色的太阳电池阵。“比如，神舟系列载人飞船采用了第一代刚性太阳电池阵技术；天舟系列货运飞船应用了第二代半刚性模块化太阳电池阵技术；空间站核心舱则是我国首次应用第三代柔性太阳电池阵技术。”

这三代电池阵产品各有特色，有的是性能较稳定，有的是发电能力较强，有的则是体积小。不同特性的电池阵组合在一起后，形成一个太阳电池阵，宛如一座巨大的“能量加油站”，可以完全满足空间站多系统的同时用电需求。目前最新一代的太阳电池阵是柔性阵，也是最新的明星产品。2021年发射的天和核心舱就采用了这种太阳电池阵，这也是该技术在我国航天工程领域的首次应用。

最新的柔性太阳电池阵便采用了单板厚度不足1mm的单体，整体面积重量较传统太阳电池阵减少了一半以上。即便已是“纤肢曼体”，科研人员还在绞尽脑汁压缩。苏彬介绍：“我们把每块太阳电池板设计成古代奏章那样，在空间站发射阶段，可以相互折叠收拢压紧于收藏箱内，但光电转换效率却提高了近20%。”

最后说点“俗的”

太阳能太阳翼价格几何

我国空间站采用的太阳能帆板是新一代的柔性太阳翼，它是在超薄型轻质复合材料基板上，覆盖三结砷化镓电池片，具有30%的光电转换效率，远远超过了国际空间站15%的光电转换效率。具体到“天和”核心舱，一片67平方米的太阳翼，初期能产生9千瓦的电能，一对太阳翼加起来面积是134平方，能产生超过18千瓦的电能。但虽然三结砷化镓电池发电效率高，但也贵，据公开的资料 道，每8平方厘米的成本是1000元人民币，“天和”核心舱134平方米的太阳翼，成本最少是1.675亿。之所以这么贵，一部分原因是由于它采用了锗、银、金等贵金属，价格自然居高不下。

而此次发射的“问天”、“梦天”实验舱太阳翼更大，单翼的面积就超过134平方米，一个实验舱有2个太阳翼阵列，成本最少3.35亿元。也就是说，我国空间站一期工程的三舱，仅太阳翼就要花8.375亿元以上。

“物超所值”

价格高效果好

从发电量来算，“天和”核心舱134平方米的双翼，超过18千瓦，三舱总和，最少就是90千瓦。而目前国际空间站的单翼功率约30千瓦，现有阵列的发电能力总和是160千瓦。而我们的90千瓦只是一个保守数字，因为“问天”、“梦天”单翼面积远不止134个平方，根据有些消息的统计，我们三舱的发电量，相当于国际空间站的80%。而值得一提的是，“天宫”和国际空间站使用的太阳能电池板，已经不是最先进的，我国企业生产的聚光三结砷化镓电池，全光谱能吸收95%的太阳光能量，可以实现40%的转换效率，并且还可以在390℃的条件下仍正常工作，对高温还不敏感，可谓是非常理想的航天器太阳翼制造材料。

当然，太阳翼始终有自己的局限性，只能用于内太阳系的探测，一旦航天器进入外太阳系，接收到的阳光将非常少，这时候就必须用“核电池”了，新型“核电池”不但可以彻底摆脱对阳光的依赖，还能实现42%到57%的转换效率，可谓是真正的星际航行的利器。我国在这一领域基础并非为零，但相比经过冷战磨练的美国和俄罗斯，依然还有很远的路要走。

好的太阳能电池

离不开好的镀膜技术

无论是哪种太阳能，地上的，还是太空的都离不开表面镀膜：目前所有的技术方法，都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。

喷涂法镀膜过程中，喷中心镀膜液富集多，造成花斑；表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一，导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀；即使均匀性辊涂法，受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约，也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下，其结果一方面造成组件的色差影响外观，另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应，影响组件的耐久性。

针对这一问题，在制备太阳能电池时，一般是需要使用真空镀膜手套箱的：由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。

方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套膜厚仪，分子泵，机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。

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