空間用太陽電池的種類和發展

邱冬冬，楊永楓，金華松

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

空間用太陽電池的種類和發展

邱冬冬，楊永楓，金華松

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

太陽電池在空間應用領域占有極為重要的地位，絕大部分在軌衛星都采用太陽電池陣與蓄電池聯合供電系統?？臻g中溫度起伏大和帶電粒子多的惡劣條件要求太陽電池具有高轉換效率、高穩定性和耐輻射等特點。介紹了硅太陽電池和砷化鎵太陽電池在空間的應用現狀，展望了空間用太陽電池的發展趨勢。

太陽電池；空間應用；硅；砷化鎵；轉換效率

太陽電池是一種能量轉換半導體器件，它依靠半導體的光伏效應，將太陽能直接轉換成電能。因此，太陽電池又稱為光伏電池。1839年法國物理學家亞歷山大·貝克勒爾首次發現了半導體的光伏效應，但直到1954年，由貝爾實驗室制備的具有實用價值的第一批硅太陽電池才問世，其光電轉換效率為6%。當時太陽電池價格昂貴，發展緩慢，主要應用于航天領域。直到1973年發生了世界石油危機，太陽電池才開始應用于民用領域，太陽電池技術和制造工藝也開始進入快速發展階段[1]。據報道，2007年全球太陽電池裝機容量3.43GW；2009年太陽電池市場需求8.96GW，其供應量可達9.57GW；2012年全球太陽電池市場需求20.30GW，其供應量21.20GW[2]。

1958年3月美國發射的先鋒1號衛星和同年5月前蘇聯發射的人造地球衛星3號首先采用太陽電池陣-蓄電池組聯合電源作為供電電源，半個世紀以來其應用范圍已經遍及各類長壽命衛星和空間站。我國1958年研制出首塊硅單晶，并開始在1971年3月發射的我國第一顆科學實驗衛星實踐1號上應用硅太陽電池。在我國已經發射的衛星中，絕大多數都采用硅太陽電池作為衛星的主電源。

自20世紀70年代以來，GaAs太陽電池逐漸在國外各種小型航天器上開展實驗和應用，GaAs太陽電池以其更高的轉換效率和更強的抗輻射特性，更好地滿足了航天任務的要求。GaAs太陽電池代表著空間用電池發展的方向。

1 空間用太陽電池的特點

太陽電池從誕生起就應用在航天器上，其提供的功率，從先鋒1號（Vanguard I）的50～100mW，到現在的幾十千瓦甚至上百千瓦。

現在大部分衛星都在地球附近運行，主要是高度在700～2 000 km的近地軌道（LEO:low earth orbits），一部分高度在36 000 km的地球同步軌道（GEO:geo synchronous orbits）和很少的高度在3 000～36 000 km的中間地球軌道（MEO:medium earth orbits）。地球周圍存在著一個高能粒子輻射帶，衛星經過輻射帶后性能發生嚴重退化。衛星在軌飛行實驗的數據給出了在軌運行3～5年的衛星總的輻射量，見表1。這就要求空間用太陽電池要具有好的耐空間粒子輻射特性。此外，空間用太陽電池還必須具有高穩定性，因為太陽電池提供的能量是衛星任務成敗的關鍵，而至今為止，更換或者維修太陽電池片還是非常困難的。由于要承受衛星發射時較強的機械應力、衛星進出地影時經歷極端的溫度而產生的熱應力，牢固和高強度的太陽電池也是必須的。應用于航天領域的太陽電池還要具有光電轉換效率高、質量輕和散熱性能好的特點。

表1 不同軌道在軌運行3～5年衛星的總輻照計量

2 空間用太陽電池的發展與現狀

太陽電池包括很多種類，滿足空間任務需求并已被成功應用的主要有單晶硅太陽電池、高效率硅太陽電池、GaAs單結和多結太陽電池。

2.1 單晶硅太陽電池

單晶硅(c-Si)電池的轉換效率較高，技術也很成熟，單晶硅用高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成，純度要求達到4N甚至7N以上，N代表小數點后“9”的數量，4N為99.999 9%[2]。澳大利亞新南威爾士大學研制出了光電轉換效率為24.7%的單晶硅太陽電池，目前工業規模生產的單晶硅太陽電池轉換效率約為17%[3]。單晶硅太陽電池自誕生就應用于空間領域，具有高穩定性、高強度和較高的轉換效率，但是耐輻射性能不突出。

最初的Si太陽電池都是P/N結構，使用單晶N型硅為基底層，硼摻雜的P型硅作為發射極。后來，地面測試顯示N/P結構（磷摻雜進P型硅）的電池具有更好的耐輻射特性。從20世紀60年代早期開始，空間用太陽電池基本上都開始采用N/P結構。我國首次使用太陽電池作為主電源的實踐1號衛星，鋪貼3 350片Si太陽電池，也是N/P結構。

2.2 高效硅太陽電池

為了提高Si電池的轉換效率以更好地滿足航天任務需要，二十世紀六七十年代，人們對太陽電池進行了改進工作，研究了高效硅太陽電池。主要有以下幾種：

（1）背場（BSF:back surface field）電池，通過提高光生載流子的收集來提高電池的效率。

（2）紫光電池，具有很淺的P-N結，提高了電池的藍紫光光譜響應。

（3）背反射（BSR:back surface reflection）電池，使一部分能量大于禁帶寬度的光被再次利用，增加了電池的光電流。

（4）背場背反射（BSFR:back surface field and reflection）電池，結合了BSF和BSR的優點，具有比二者更高的光電轉換效率。

直到20世紀70年代，Si太陽電池以其可靠性和可預知性還是空間用的唯一電源類型，80年代，上面所提的各種高效Si電池也仍然在被廣泛使用。1981年和1984年發射的U-oSAT-1和UoSAT-2衛星采用的Si電池，各提供60W的功率。1994年8月28日，日本發射了ETS-VI衛星，搭載了厚度分別為50、100和200μm的BSFR電池和厚度為200μm的BSR電池。20世紀90年代初發射的24顆GPS導航衛星，采用標準Si電池作為主電源。我國的通信衛星、氣象衛星、軍用衛星以及神州系列宇宙飛船基本上都是采用的Si太陽電池。神舟七號飛船的主電源太陽電池陣使用了11 690片單晶硅硼BSF電池。

隨著具有更好性能的GaAs太陽電池的出現并快速發展，硅太陽電池在空間的應用逐漸減少。但是，LEO衛星的功率需求較低、輻射小，Si太陽電池以其適度的轉換效率和低成本，再加上已經被很好證明了的可靠性，在很長一段時間內還將被持續使用。

2.3 砷化鎵單結和多結太陽電池

GaAs為直接躍遷型材料，對可見光吸收系數很高，因此GaAs太陽電池可制成薄膜型，質量可大幅減小。GaAs薄膜太陽電池具有溫度特性好、耐放射性粒子輻射、可以制成效率更高的疊層電池等優點，滿足各種軌道衛星任務的需求。目前，GaAs電池已經取代Si電池，成為空間用太陽電池的首選，作為航天器主電源的比例也日益增大。單結太陽電池現在最高轉換效率為28%[4]。

GaAs材料的禁帶寬度是1.4 eV，導致這種材料不能吸收波長大于0.9μm的太陽光，也就直接影響到了其轉換效率。太陽光光譜可以分成連續的若干部分，用與這些部分最佳匹配的III-V族化合物太陽電池按照從上到下禁帶寬度依次減小的順序堆疊起來，頂層的太陽電池吸收太陽光譜中的短波部分，長波部分的光能夠透射進去讓窄能隙的底層電池吸收，這種結構的太陽電池稱為疊層太陽電池。GaAs疊層太陽電池的理論轉換效率為：雙結30%，三結38%，四結41%[5]。在層數到達一定程度，聚光條件下，理論的光電轉換效率可以達到60%。雙結、三結電池聚光條件下的最高實驗室轉換效率分別為30.2%[6]和37.4%[7]。Spectro Lab的四結電池達到了40.7%的轉換效率。

20世紀70年代就開始對GaAs電池進行了大量空間飛行實驗，1970年和1973年前蘇聯發射的“月行器”I、II宇宙飛船上裝有實驗用GaAs電池；1984年，在“禮炮（Salyut）7號”飛船的主帆板上安裝了1個GaAs電池方陣。1971年美國的阿波羅14、15號宇宙飛船也搭載了GaAs太陽電池。1983年美國休斯公司在LIPS II衛星上安裝了1 800片2 cm×2 cm的GaAs電池組成的帆板進行實驗。日本從1982年開始研究空間用GaAs太陽電池。1987年發射的ETS-V搭載了GaAs電池進行空間實驗[8]。1999年4月，搭載了4 cm×4.1 cm的GaInP/GaAs電池的UoSAT-12進行了歐洲首次GaAs疊層太陽電池飛行實驗[9]。1988年9月發射的風云-1A衛星上，進行了我國首次GaAs電池的衛星標定實驗，實驗使用2 cm×2 cm的單結GaAs電池。1990年9月發射的風云-1B衛星上，直接在太陽電池帆板上安裝了54片GaAs電池進行實驗。實驗證明了GaAs電池的各項優異性能。不同類型電池在不同溫度和輻照下的性能對比見表2。

表2 幾種電池在不同溫度和不同輻照條件下的效率

GaAs電池跟Si電池相比，總結起來有以下優勢：

（1）相同光照條件下，單位面積功率輸出高30%；

（2）相同操作條件下，耐輻射可靠性高20%；

（3）溫度影響效率的相關系數要低約2倍；

（4）在軌壽命長40%～60%；

（5）光電轉換效率高20%～25%。

20世紀80年代以來，GaAs電池逐漸開始量產化，其相對于Si電池的價格也降到了10倍以內，Si電池的價格優勢逐漸喪失。歐洲航天局（ESA）太陽能發電部門主管Klaus Bogus稱，二者價格比率降到8倍以內，GaAs電池就開始比Si電池更有競爭力[10]。國外逐漸開始把GaAs電池作為各類航天器的空間主電源，特別是小衛星。前蘇聯1986年發射的“和平號”軌道空間站，裝備了10 kW的GaAs太陽電池。1988年日本發射的CS-3通信衛星搭載了36 671片2 cm×2 cm的GaAs電池作為主電源[11]。1996年底，摩托羅拉公司發射了其“銥星計劃”的首顆衛星，該工程計劃發射66顆通信衛星，軌道距離地球700 km，每個衛星的電池陣都由單片面積 24 cm2的GaAs/Ge電池組成。在其后發射的火星探測器上，GaAs電池也得到了成功的應用。

20世紀90年代末的時候，國外在造的商業衛星中有50%～70%都使用了Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池。而我國只有很少衛星使用了該類電池。神舟七號飛船的微小伴星上進行了三結GaAs疊層電池的搭載實驗，平均效率達26.5%，實驗數據將為我國新一代衛星平臺——東方紅四號平臺的衛星和載人航天二期工程使用高效率三結疊層電池提供在軌飛行數據。

2.4 太陽電池在小衛星和其它飛行器上的應用

近年來，小衛星技術迅速發展，質量和體積不斷減小，成本也在下降。電源系統約占小衛星質量的40%，減小電源系統的質量和提高電池的效率對小衛星尤為重要。1991年，歐洲首個使用LPE技術制造的GaAs電池的衛星UoSAT-5小衛星發射[12]。1997年，歐洲第一個搭載5μmGaAs單結電池作為主電源的衛星Equator-S升空[13]。2005年，美國國家航空和宇宙航行局發射了Space Technology-5計劃的首顆衛星，衛星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三結疊層電池，效率達到28%[14]。本世紀初，效率達到28%的太陽電池在美國已經可以量產，三結疊層電池的應用也已經列于美國大部分的衛星計劃[15]。

對于深空探測和行星探測任務，GaAs電池和Si電池都已被使用。距離更遠的任務，Si電池（專門為低太陽照度和低溫設計）是首選的，配有輕質量聚光設備的III-V族化合物單結或者多結太陽電池也表現良好。對那些運行在太陽光輻照量只有地球上1/10情況下的衛星，10倍的聚光強度使其輸出功率與在地球上的輸出功率相近[16]。圖1所示為歐洲的Herschel and Planck太空天文臺計劃的效果圖，計劃使用三結GaAs電池[17]。

圖1 歐洲的H ersche l and P l anck太空天文臺效果圖

3 發展趨勢

未來發展趨勢是不斷提升GaAs疊層電池的轉換效率并加快其在航天領域的應用，不斷改進和優化硅電池的結構，提升其效率和耐輻射特性；同時開發新材料的電池。繼續研究和發展聚光設備，解決聚光系統的散熱問題，并早日應用于衛星電池帆板。

隨著人類對空間開發的不斷深入，空間用太陽電池的應用領域也將隨之拓展。距離地球更遠的衛星發射將持續增加，包括近太陽計劃，遠離地球的各種探測器發射計劃，比如火星和小行星帶探測器。月球和火星基地的建設也將被列入計劃。這些任務中的一部分將使用太陽能電力推進來取代火箭動力，美國1998年發射的Deep Space I已經成功地應用了這項技術。太陽能發電衛星也是未來的發展方向，產生的電能通過微波形式傳送到地球。國外還在論證一種能向其它衛星提供能量的衛星。

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Classificationsand development of space solar cells

QIU Dong-dong,YANGYong-feng,JIN Hua-song
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department,Jiangyin Jiangsu 214431,China)

Solar cells occupy an extremely important position in space application,and most satellites in orbits are powered by combined system consists of solar array and storage battery.Greatly waved temperature and a lot of charged particles in space require the properties of solar cells such as high conversion efficiency,high stability and good tolerance to irradiation.Applications status of silicon solar cells and GaAs solar cells working in space were described,and development trends of space solar cells were prospected.

solar cells;space applications;silicon;GaAs;conversion efficiency

TM 914.4

A

1002-087 X(2013)11-2070-03

2013-04-04

邱冬冬（1985—），男，安徽省人，碩士，主要研究方向為激光與物質的相互作用。