综述：硅太阳能电池重返太空

《Acta Astronautica》：The Return of Silicon Solar Cells to Space

　　汤姆·H·理查兹 | 里克·金伯 | 克雷格·安德伍德 | 杰·宋·云
英国萨里大学先进技术研究所（ATI），吉尔福德，萨里，GU2 7XH

**摘要**
在近二十年的时间里，传统的硅基太阳能电池一直是太空发电的行业标准。然而，从1977年开始，由于其更高的效率和更强的抗辐射能力，这些电池逐渐被基于砷化镓（GaAs）的太阳能电池所取代。此后，用于地面应用的现代硅基太阳能电池取得了显著进步，尤其是硅异质结和钙钛矿/硅串联电池，在AM1.5G条件下实现了27.8%和34.8%的创纪录效率。因此，现代硅基太阳能电池正在重新被考虑用于太空发电。尽管使用现代硅基太阳能电池会使初始功率输出密度降低约28%，并且在给定盖玻片厚度的情况下，其抗辐射能力仅为三结电池的2.6倍，但成本节省幅度可能高达85-90%，其中主要的前期成本来自符合太空标准的盖玻片，而非硅电池本身。本文将回顾硅基太阳能电池的结构、其在太空中的发展历史以及太空环境（特别是带电粒子辐射、热效应和紫外线）对其的影响，并探讨提高抗辐射能力和最大效率的未来研究方向，旨在使硅基太阳能电池能够再次成为太空发电的主要选择。

**引言**
1958年至1977年间，传统的硅光伏技术（指当时使用的简单背表面场结构）是太空应用的行业标准太阳能电池材料，后来被效率更高、抗辐射能力更强的砷化镓基太阳能电池所取代。但如今，效率超过20%的现代硅基太阳能电池（如钝化发射极和背接触（PERC）电池、隧道氧化物钝化接触（TOPCon）电池、异质结（HJT）电池和异质结背接触（HBC）电池）具有成本更低、更易获取且通常更轻的优点[19][20]。此外，随着新的硅基太阳能电池技术（如硅HJT和钙钛矿/硅串联电池（PSTSC）效率的提升，现代硅基太阳能电池正在重新评估其太空应用潜力。

现代硅基太阳能电池（如硅异质结构和PSTSC）在AM1.5G条件下的最高效率分别达到了27.8%和34.85%[12][21][22][23][24]，在AM0光谱下的效率分别为约25.0%和31.4%[24][25]。因此，凭借这些令人印象深刻的效率，硅基太阳能电池有望再次成为太空领域的重要选择。然而需要注意的是，PSTSC在太空中的技术成熟度仍低于单结硅电池[8.2.1节将讨论钙钛矿在太空中的稳定性问题]。由于AM1.5G和AM0光谱的差异（如图1a所示），两种光谱下的效率有所不同，AM0与AM1.5G光谱之间的效率比通常约为90%[10]。这一比例得到了Yamaguchi等人的验证[10]，图1b中还展示了包括钙钛矿、硅HJT、PERL、CIGS和CdTe电池在内的多种电池的示例，其效率比趋势线为90%。不过，这一比例取决于具体器件的光谱响应和光学损耗，因此实际数值可能在85%-95%范围内波动，90%并非绝对值。基于这一理解，本文使用90%的比例计算了部分太阳能电池的AM0效率记录，并将其随时间变化的情况绘制在图1c中，结果显示目前只有PSTSC能够达到超过30%的太空标准效率。虽然三结电池的AM0效率也达到了约30%[11]，但硅HJT和PSTSC的效率分别约为24.5%和31%[12]。需要注意的是，这些数值是基于实验室记录的估算值，实际太空环境下的性能仍有待验证。

为了估算这些技术在太空中的初始功率输出，可以比较三结电池与硅HJT和PSTSC的功率输出差异。结果表明，要达到三结电池的初始功率输出，需要多使用约22%的硅HJT电池或减少3%的PSTSC电池。虽然单结太阳能电池在效率上无法与三结电池竞争，但由于硅的多功能性，它可以与多种材料（如钙钛矿[25][26]和III-V族材料[27]，包括GaInP和GaAs[28]）形成串联结构，甚至可以替代标准三结电池中的Ge层[29]。不过，硅与GaAs层之间存在晶格失配问题（Ge层不存在这一问题），这导致层间需要机械连接而非沉积，从而增加了成本并降低了器件性能。因此，深入研究现代硅基太阳能电池在太空环境中的表现有助于提升其整体性能。关于PSTSC的更多细节，请参见第8.2.1节。

尽管这些效率令人鼓舞，但高性能器件通常对辐射更敏感[10]，因此必须同时提高效率和抗辐射能力才能全面提升太空光伏性能。现代硅基太阳能电池（包括HJT和PSTSC）相比传统的三结（TJ）GaInP/GaAs/Ge电池更具成本优势。目前，三结电池的价格在每瓦250美元至450美元之间，而基于硅的技术每瓦仅需几十美分；截至2025年11月，PERC、TOPCon和HJT电池的平均价格分别为0.275美元、0.285美元和0.39美元[30]，PSTSC的估计成本约为0.35美元[31]。这意味着现代硅基太阳能电池在单电池层面的成本大约低1000倍。从原材料价格来看，中国硅的平均价格为每公斤一美元[32]，而三结电池所需的镓和锗每公斤价格高达数千美元[33][34]。考虑到太空环境中所需的盖玻片和互连组件，总体成本优势仍然显著。

通过一个3U立方卫星和一个Surrey Satellite Technology Limited（SSTL）微型卫星的案例研究，可以比较使用硅HJT和三结电池的成本（见表1）。需要注意的是，此案例研究仅作为参考基准，并非预测性比较。研究假设如下：
- SSTL微型卫星由一个主体和一个可展开的太阳能电池板组成；
- 微型卫星的填充效率基于工程图纸测量；
- HJT电池的质量基于100微米厚样品（120毫克，2厘米×2厘米，0.3千克/平方米）的测量数据；
- 现代硅HJT电池的成本根据Anza Renewable 2025年第四季度报告设定为每瓦0.39美元[30]；
- 三结电池的成本根据行业数据假设为每瓦250美元至450美元，因此裸露的三结电池成本比带盖玻片的电池低15%；
- 太空级盖玻片供应商报价显示150微米厚盖玻片的成本为每平方米15,000至20,000美元，故假设最坏情况下为每平方米20,000美元；
- 互连组件的成本未计入，但预计对结论影响不大。

表1显示，盖玻片的成本占据了硅HJT总成本的大部分。因此，提高电池的抗辐射能力和减少盖玻片用量可以显著降低成本。即使初始功率输出略有下降（未考虑材料抗辐射性、退火或特定轨道环境导致的性能下降），使用硅HJT仍可节省85%-90%的成本。如果任务允许较低的初始功率输出，光伏系统的成本节省将更为显著。表1还表明，硅HJT电池的比功率（W/kg）是三结电池的两倍，这意味着使用硅基电池时所需的电池质量仅为后者的一半，节省的质量可用于增加推进剂或有效载荷，或降低发射成本。

如果无法降低功率需求，可以通过扩大面板尺寸来满足要求（见表2）。尽管如此，硅基太阳能电池在地面市场的广泛应用使其具有丰富的制造能力。随着每年发射到太空的物体数量从2010年的约120个增加到近年来的2,800多个[37]，硅在制造方面的优势明显。随着对大规模光伏生产的需求增加，相关行业面临挑战，一些太阳能电池公司的交货周期长达数年。新兴的太空发电技术（如太空太阳能发电）需要从太空收集能量并通过微波传输到地球[38][39]，可能需要数公里宽的结构来传输吉瓦级的能量[40][41][42][43]。要满足这些需求，需要大量太阳能电池，而现代硅基太阳能电池是目前唯一具备相应制造能力和产量的技术。2022年，累计安装的现代硅基太阳能电池容量已超过1太瓦[44]。卫星的平均功率约为1千瓦[45]，因此2024年发射的2,800多颗卫星需要约3兆瓦的太阳能电池能量，未来可能需要的能量将达到吉瓦甚至太瓦级别[46]，这将彻底改变三结电池的市场格局，而对硅基太阳能电池市场影响有限。

本文将全面概述现代硅基太阳能电池在太空应用中的现状及其在模拟太空环境中的稳定性和性能研究，同时探讨未来研究方向，以进一步发挥其优势。与以往的太空光伏研究相比，本文重点关注现代高效率硅光伏技术在太空应用中的潜力，并提供了详细的历史背景、成本比较和结构差异分析。这篇综述还全面概述了不同环境压力因素（包括热应力和紫外线）的影响，而之前的太空光伏研究通常仅关注辐射[47][48]。与标准的基于砷化镓（GaAs）的三结电池相比，使用现代基于硅的太阳能电池设备的主要优势包括：每瓦成本较低（$/W）、比功率（W/kg）更高、制造过程更简单且可大规模生产，以及能够与其他材料结合形成串联和多结器件。

### 现代硅太阳能电池的类型
自从单结硅太阳能电池首次开发以来，其设计经历了许多创新，以提高效率并减少内部复合损失，其中包括：
- **背面反射器（BSR）**：薄层金属可以减少光线透过电池的量，并帮助将光线反射回半导体中，从而增加光子与电子碰撞的机会。这对于太空应用非常有益。

### 硅太阳能电池在太空中的历史
1839年，埃德蒙·贝克勒尔首次展示了光伏效应，他证明用太阳光照射部分浸入电解质溶液中的两个电极可以产生电流，即光电流[65]。100多年后，即1954年，贝尔实验室制造出了第一个高效的基于硅的太阳能电池设备，记录了6%的功率转换效率和60 W/m2的功率密度[66]。

### 太空环境
目前大多数太阳能电池都是为地球应用设计的，其中95%是现代基于硅的光伏电池[104]。然而，在地球外应用中情况则相反，尽管硅曾是航天器的主要能源，但现在已被其他材料取代。虽然硅在地球上可以产生约25%的AM1.5G PCE，但由于太空中的太阳光谱、辐射、温度、真空和原子氧水平不同，适合太空使用的电池需要做出相应调整。

### 辐射效应
如第4.3节所讨论的，辐射是太空环境中太阳能电池退化的一个重要因素，尤其是对硅而言。与砷化镓相比，硅是一种间接带隙材料，因此陷阱对电池的影响更大，因为载流子寿命和扩散长度在间接带隙材料中更为关键。此外，由于硅的带隙较窄，深能级陷阱更容易产生，这些陷阱比宽带隙材料中的带边陷阱更具破坏性。

### 热效应
标准的现代硅太阳能电池已在地球的昼夜温差条件下进行了广泛建模和测试，特别是在高湿度条件下（称为湿热测试[158]）。然而，在类似太空的条件下的热测试则相对较少。国际电工委员会（IEC）61215-1-1:2016标准用于定义适用于地球应用的晶体硅组件的质量要求。

### 紫外线效应
紫外线引起的退化（UVID）是硅HJT太阳能电池的一个重大问题。因此，如果要在紫外线强度较高的太空中使用这些电池，则需要比地球应用更强的防护和抗性。UVID是由能量大于3.4 eV的紫外线光子引起的退化，它们会直接或间接地通过“热载流子”激发质子，从而破坏电池结构。

### 氢等离子体处理（HPT）
氢等离子体处理（HPT）用于提高非晶硅和晶硅及其界面的钝化能力。当氢被添加到样品中时，晶硅表面的悬挂键会被钝化，从而降低界面缺陷密度。Descoeudres等人于2011年首次在HJT硅太阳能电池上应用了HPT[173]，结果表明，在制备过程中使用HPT可以提高开路电压和效率。

### 结论
几十年来，硅太阳能电池并未成为太空发电的行业标准。然而，随着现代硅架构的进步以及PSTSCs所取得的效率提升，基于硅的太阳能电池可能会在太空任务中变得越来越重要。本文介绍了当前使用的不同技术和架构，以及硅太阳能电池在太空中的简要历史。通过将新的硅HJT技术与现有技术进行比较……

### CRediT作者贡献声明
- Tommy H. Richards：撰写原始草稿、可视化设计、概念化、数据整理。
- Rick Kimber：撰写、审阅和编辑。
- Craig Underwood：撰写、审阅和编辑。
- Jae Sung Yun：撰写、审阅和编辑、监督。

### 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

### 致谢
THR感谢Surrey Satellite Technology Limited（SSTL）对其博士研究的共同资助，并提供了支持这项工作的数据。