空间用太阳电池的种类和发展

邱冬冬，杨永枫，金华松

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

空间用太阳电池的种类和发展

邱冬冬，杨永枫，金华松

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

太阳电池在空间应用领域占有极为重要的地位，绝大部分在轨卫星都采用太阳电池阵与蓄电池联合供电系统。空间中温度起伏大和带电粒子多的恶劣条件要求太阳电池具有高转换效率、高稳定性和耐辐射等特点。介绍了硅太阳电池和砷化镓太阳电池在空间的应用现状，展望了空间用太阳电池的发展趋势。

太阳电池；空间应用；硅；砷化镓；转换效率

太阳电池是一种能量转换半导体器件，它依靠半导体的光伏效应，将太阳能直接转换成电能。因此，太阳电池又称为光伏电池。1839年法国物理学家亚历山大·贝克勒尔首次发现了半导体的光伏效应，但直到1954年，由贝尔实验室制备的具有实用价值的第一批硅太阳电池才问世，其光电转换效率为6%。当时太阳电池价格昂贵，发展缓慢，主要应用于航天领域。直到1973年发生了世界石油危机，太阳电池才开始应用于民用领域，太阳电池技术和制造工艺也开始进入快速发展阶段[1]。据报道，2007年全球太阳电池装机容量3.43GW；2009年太阳电池市场需求8.96GW，其供应量可达9.57GW；2012年全球太阳电池市场需求20.30GW，其供应量21.20GW[2]。

1958年3月美国发射的先锋1号卫星和同年5月前苏联发射的人造地球卫星3号首先采用太阳电池阵-蓄电池组联合电源作为供电电源，半个世纪以来其应用范围已经遍及各类长寿命卫星和空间站。我国1958年研制出首块硅单晶，并开始在1971年3月发射的我国第一颗科学实验卫星实践1号上应用硅太阳电池。在我国已经发射的卫星中，绝大多数都采用硅太阳电池作为卫星的主电源。

自20世纪70年代以来，GaAs太阳电池逐渐在国外各种小型航天器上开展实验和应用，GaAs太阳电池以其更高的转换效率和更强的抗辐射特性，更好地满足了航天任务的要求。GaAs太阳电池代表着空间用电池发展的方向。

1 空间用太阳电池的特点

太阳电池从诞生起就应用在航天器上，其提供的功率，从先锋1号（Vanguard I）的50～100mW，到现在的几十千瓦甚至上百千瓦。

现在大部分卫星都在地球附近运行，主要是高度在700～2 000 km的近地轨道（LEO:low earth orbits），一部分高度在36 000 km的地球同步轨道（GEO:geo synchronous orbits）和很少的高度在3 000～36 000 km的中间地球轨道（MEO:medium earth orbits）。地球周围存在着一个高能粒子辐射带，卫星经过辐射带后性能发生严重退化。卫星在轨飞行实验的数据给出了在轨运行3～5年的卫星总的辐射量，见表1。这就要求空间用太阳电池要具有好的耐空间粒子辐射特性。此外，空间用太阳电池还必须具有高稳定性，因为太阳电池提供的能量是卫星任务成败的关键，而至今为止，更换或者维修太阳电池片还是非常困难的。由于要承受卫星发射时较强的机械应力、卫星进出地影时经历极端的温度而产生的热应力，牢固和高强度的太阳电池也是必须的。应用于航天领域的太阳电池还要具有光电转换效率高、质量轻和散热性能好的特点。

表1 不同轨道在轨运行3～5年卫星的总辐照计量

2 空间用太阳电池的发展与现状

太阳电池包括很多种类，满足空间任务需求并已被成功应用的主要有单晶硅太阳电池、高效率硅太阳电池、GaAs单结和多结太阳电池。

2.1 单晶硅太阳电池

单晶硅(c-Si)电池的转换效率较高，技术也很成熟，单晶硅用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成，纯度要求达到4N甚至7N以上，N代表小数点后“9”的数量，4N为99.999 9%[2]。澳大利亚新南威尔士大学研制出了光电转换效率为24.7%的单晶硅太阳电池，目前工业规模生产的单晶硅太阳电池转换效率约为17%[3]。单晶硅太阳电池自诞生就应用于空间领域，具有高稳定性、高强度和较高的转换效率，但是耐辐射性能不突出。

最初的Si太阳电池都是P/N结构，使用单晶N型硅为基底层，硼掺杂的P型硅作为发射极。后来，地面测试显示N/P结构（磷掺杂进P型硅）的电池具有更好的耐辐射特性。从20世纪60年代早期开始，空间用太阳电池基本上都开始采用N/P结构。我国首次使用太阳电池作为主电源的实践1号卫星，铺贴3 350片Si太阳电池，也是N/P结构。

2.2 高效硅太阳电池

为了提高Si电池的转换效率以更好地满足航天任务需要，二十世纪六七十年代，人们对太阳电池进行了改进工作，研究了高效硅太阳电池。主要有以下几种：

（1）背场（BSF:back surface field）电池，通过提高光生载流子的收集来提高电池的效率。

（2）紫光电池，具有很浅的P-N结，提高了电池的蓝紫光光谱响应。

（3）背反射（BSR:back surface reflection）电池，使一部分能量大于禁带宽度的光被再次利用，增加了电池的光电流。

（4）背场背反射（BSFR:back surface field and reflection）电池，结合了BSF和BSR的优点，具有比二者更高的光电转换效率。

直到20世纪70年代，Si太阳电池以其可靠性和可预知性还是空间用的唯一电源类型，80年代，上面所提的各种高效Si电池也仍然在被广泛使用。1981年和1984年发射的U-oSAT-1和UoSAT-2卫星采用的Si电池，各提供60W的功率。1994年8月28日，日本发射了ETS-VI卫星，搭载了厚度分别为50、100和200μm的BSFR电池和厚度为200μm的BSR电池。20世纪90年代初发射的24颗GPS导航卫星，采用标准Si电池作为主电源。我国的通信卫星、气象卫星、军用卫星以及神州系列宇宙飞船基本上都是采用的Si太阳电池。神舟七号飞船的主电源太阳电池阵使用了11 690片单晶硅硼BSF电池。

随着具有更好性能的GaAs太阳电池的出现并快速发展，硅太阳电池在空间的应用逐渐减少。但是，LEO卫星的功率需求较低、辐射小，Si太阳电池以其适度的转换效率和低成本，再加上已经被很好证明了的可靠性，在很长一段时间内还将被持续使用。

2.3 砷化镓单结和多结太阳电池

GaAs为直接跃迁型材料，对可见光吸收系数很高，因此GaAs太阳电池可制成薄膜型，质量可大幅减小。GaAs薄膜太阳电池具有温度特性好、耐放射性粒子辐射、可以制成效率更高的叠层电池等优点，满足各种轨道卫星任务的需求。目前，GaAs电池已经取代Si电池，成为空间用太阳电池的首选，作为航天器主电源的比例也日益增大。单结太阳电池现在最高转换效率为28%[4]。

GaAs材料的禁带宽度是1.4 eV，导致这种材料不能吸收波长大于0.9μm的太阳光，也就直接影响到了其转换效率。太阳光光谱可以分成连续的若干部分，用与这些部分最佳匹配的III-V族化合物太阳电池按照从上到下禁带宽度依次减小的顺序堆叠起来，顶层的太阳电池吸收太阳光谱中的短波部分，长波部分的光能够透射进去让窄能隙的底层电池吸收，这种结构的太阳电池称为叠层太阳电池。GaAs叠层太阳电池的理论转换效率为：双结30%，三结38%，四结41%[5]。在层数到达一定程度，聚光条件下，理论的光电转换效率可以达到60%。双结、三结电池聚光条件下的最高实验室转换效率分别为30.2%[6]和37.4%[7]。Spectro Lab的四结电池达到了40.7%的转换效率。

20世纪70年代就开始对GaAs电池进行了大量空间飞行实验，1970年和1973年前苏联发射的“月行器”I、II宇宙飞船上装有实验用GaAs电池；1984年，在“礼炮（Salyut）7号”飞船的主帆板上安装了1个GaAs电池方阵。1971年美国的阿波罗14、15号宇宙飞船也搭载了GaAs太阳电池。1983年美国休斯公司在LIPS II卫星上安装了1 800片2 cm×2 cm的GaAs电池组成的帆板进行实验。日本从1982年开始研究空间用GaAs太阳电池。1987年发射的ETS-V搭载了GaAs电池进行空间实验[8]。1999年4月，搭载了4 cm×4.1 cm的GaInP/GaAs电池的UoSAT-12进行了欧洲首次GaAs叠层太阳电池飞行实验[9]。1988年9月发射的风云-1A卫星上，进行了我国首次GaAs电池的卫星标定实验，实验使用2 cm×2 cm的单结GaAs电池。1990年9月发射的风云-1B卫星上，直接在太阳电池帆板上安装了54片GaAs电池进行实验。实验证明了GaAs电池的各项优异性能。不同类型电池在不同温度和辐照下的性能对比见表2。

表2 几种电池在不同温度和不同辐照条件下的效率

GaAs电池跟Si电池相比，总结起来有以下优势：

（1）相同光照条件下，单位面积功率输出高30%；

（2）相同操作条件下，耐辐射可靠性高20%；

（3）温度影响效率的相关系数要低约2倍；

（4）在轨寿命长40%～60%；

（5）光电转换效率高20%～25%。

20世纪80年代以来，GaAs电池逐渐开始量产化，其相对于Si电池的价格也降到了10倍以内，Si电池的价格优势逐渐丧失。欧洲航天局（ESA）太阳能发电部门主管Klaus Bogus称，二者价格比率降到8倍以内，GaAs电池就开始比Si电池更有竞争力[10]。国外逐渐开始把GaAs电池作为各类航天器的空间主电源，特别是小卫星。前苏联1986年发射的“和平号”轨道空间站，装备了10 kW的GaAs太阳电池。1988年日本发射的CS-3通信卫星搭载了36 671片2 cm×2 cm的GaAs电池作为主电源[11]。1996年底，摩托罗拉公司发射了其“铱星计划”的首颗卫星，该工程计划发射66颗通信卫星，轨道距离地球700 km，每个卫星的电池阵都由单片面积 24 cm2的GaAs/Ge电池组成。在其后发射的火星探测器上，GaAs电池也得到了成功的应用。

20世纪90年代末的时候，国外在造的商业卫星中有50%～70%都使用了Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池。而我国只有很少卫星使用了该类电池。神舟七号飞船的微小伴星上进行了三结GaAs叠层电池的搭载实验，平均效率达26.5%，实验数据将为我国新一代卫星平台——东方红四号平台的卫星和载人航天二期工程使用高效率三结叠层电池提供在轨飞行数据。

2.4 太阳电池在小卫星和其它飞行器上的应用

近年来，小卫星技术迅速发展，质量和体积不断减小，成本也在下降。电源系统约占小卫星质量的40%，减小电源系统的质量和提高电池的效率对小卫星尤为重要。1991年，欧洲首个使用LPE技术制造的GaAs电池的卫星UoSAT-5小卫星发射[12]。1997年，欧洲第一个搭载5μmGaAs单结电池作为主电源的卫星Equator-S升空[13]。2005年，美国国家航空和宇宙航行局发射了Space Technology-5计划的首颗卫星，卫星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三结叠层电池，效率达到28%[14]。本世纪初，效率达到28%的太阳电池在美国已经可以量产，三结叠层电池的应用也已经列于美国大部分的卫星计划[15]。

对于深空探测和行星探测任务，GaAs电池和Si电池都已被使用。距离更远的任务，Si电池（专门为低太阳照度和低温设计）是首选的，配有轻质量聚光设备的III-V族化合物单结或者多结太阳电池也表现良好。对那些运行在太阳光辐照量只有地球上1/10情况下的卫星，10倍的聚光强度使其输出功率与在地球上的输出功率相近[16]。图1所示为欧洲的Herschel and Planck太空天文台计划的效果图，计划使用三结GaAs电池[17]。

图1 欧洲的H ersche l and P l anck太空天文台效果图

3 发展趋势

未来发展趋势是不断提升GaAs叠层电池的转换效率并加快其在航天领域的应用，不断改进和优化硅电池的结构，提升其效率和耐辐射特性；同时开发新材料的电池。继续研究和发展聚光设备，解决聚光系统的散热问题，并早日应用于卫星电池帆板。

随着人类对空间开发的不断深入，空间用太阳电池的应用领域也将随之拓展。距离地球更远的卫星发射将持续增加，包括近太阳计划，远离地球的各种探测器发射计划，比如火星和小行星带探测器。月球和火星基地的建设也将被列入计划。这些任务中的一部分将使用太阳能电力推进来取代火箭动力，美国1998年发射的Deep Space I已经成功地应用了这项技术。太阳能发电卫星也是未来的发展方向，产生的电能通过微波形式传送到地球。国外还在论证一种能向其它卫星提供能量的卫星。

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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，硕士，主要研究方向为激光与物质的相互作用。