太阳能光伏技术应用成果

12．4．3．1 空间应用发展现状

由于薄膜电池在降低空间飞行器用电池方阵成本方面的优势，欧美等发达国家在20世纪80年代起就开始薄膜电池在空间应用方面的研究，并且已经在空间站及卫星上做过多次薄膜电池的空间搭载实验。实验证明，非晶硅、铜铟硒以及碲化镉等薄膜电池在空间环境中有良好的抗辐照性能和温度特性，具有在空间应用的潜力。美国航宇局和欧空局在薄膜电池方阵方面也做了大量研究，以期获得高功率重量比的太阳电池方阵。

美国航宇局计划发射的DSX卫星［22］，如图12．31所示，其中太阳电池完全采用薄膜电池。薄膜电池方阵分为100V和280V两种，薄膜电池主要有不锈钢衬底非晶硅电池（Uni－Solar）、聚酯膜衬底非晶硅电池（IOWA）和不锈钢及钛金属箔衬底的铜铟镓硒电池（Global Solar，Daystar）。

12．4．3．2 空间应用前景分析

图12．31　DSX卫星柔性薄膜电池应用示意图

薄膜电池可以制作在超轻超薄的柔性衬底上，因此可以获得很高的质量比功率，从而大大减轻电池方阵的质量，降低飞行器发射成本。同时由于柔性电池的卷包特性，使得薄膜电池方阵可以卷包送入太空，减少装载容量。在平流层飞艇这类特殊的空间飞行器上（见图12．32），如果要增加平流层飞艇的滞空时间以及使用寿命，必须采用太阳电池和可再生燃料电池相结合的电源系统。而其中的太阳电池则只能用具有卷包特性的高质量比功率的柔性薄膜电池，直接铺设在飞艇表面。

图12．32　利用薄膜电池作为主能源的飞艇示意图(https://www.xing528.com)

在微小卫星中，还将会用到一些和薄膜电池相结合的新型的光伏器件，比如电池天线一体化以及能量球［23］等等。

然而薄膜电池效率和晶体太阳电池相比还是比较低，要取得相等的功率，薄膜电池方阵的面积会大大超过晶体硅或砷化镓电池，这样无疑会增加飞行器姿态控制系统的复杂性。方阵面积过大，也会增加展开机构以及封装的质量，降低整个方阵的质量比功率。研究表明，薄膜电池效率达到10～20%，方阵质量在0．2～0．4kg／m2之间，薄膜电池方阵的应用才有实际意义［24］。而当薄膜电池的效率达到13%后，其整体性能将可以和现在效率为26．5%的晶体电池方阵相当。

12．4．3．3 薄膜电池在空间应用面临的挑战

由于薄膜太阳电池技术远未发展成熟，要在空间应用还面临许多技术的挑战和机遇。其中两个主要挑战是：①性能的提高，主要是提高单位面积功率；②空间应用的长期可靠性。

目前批产化薄膜电池的性能和实验室研究水平有较大的差距，部分原因是由于电池做成组件引起的损失，而最主要原因是由于大规模化生产引起的材料和器件性能下降。因此，随着制造技术的发展，产业化薄膜电池在性能提高方面还有很大潜力。同时，薄膜电池具有很好的温度系数，使得薄膜电池在高温下工作的表现和晶体硅电池可以相媲美。

薄膜电池的长期稳定性一直是人们研究的重点，这是因为薄膜电池在地面应用中，出现过各种各样的问题。比如，非晶硅薄膜电池的光致效率衰减，铜铟硒电池在潮湿环境中性能的衰退以及碲化镉电池的性能不稳定。通过改善材料性能以及多结电池结构的采用，非晶硅薄膜电池的光致稳定性得到了很大改善。而封装技术的发展也解决了很多由于封装引入的组件性能下降。但是，应用于空间的薄膜电池要经历高能粒子辐照，冷热温度交变，原子氧环境等特殊环境的考验，其组件的长期稳定性需要进一步考验。

太阳电池薄膜化和柔性化是光伏电池未来主要的发展趋势，不仅在空间飞行器动力电源应用上具有无可比拟的优势和良好的应用前景，而且在地面电站发电及光伏集成建筑领域具有广阔的商业前景。