空間用太陽電池的種類和發(fā)展

邱冬冬，楊永楓，金華松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

空間用太陽電池的種類和發(fā)展

邱冬冬，楊永楓，金華松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

太陽電池在空間應(yīng)用領(lǐng)域占有極為重要的地位，絕大部分在軌衛(wèi)星都采用太陽電池陣與蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)?？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(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性和耐輻射等特點(diǎn)。介紹了硅太陽電池和砷化鎵太陽電池在空間的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了空間用太陽電池的發(fā)展趨勢。

太陽電池；空間應(yīng)用；硅；砷化鎵；轉(zhuǎn)換效率

太陽電池是一種能量轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，它依靠半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。因此，太陽電池又稱為光伏電池。1839年法國物理學(xué)家亞歷山大·貝克勒爾首次發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，但直到1954年，由貝爾實(shí)驗(yàn)室制備的具有實(shí)用價值的第一批硅太陽電池才問世，其光電轉(zhuǎn)換效率為6%。當(dāng)時太陽電池價格昂貴，發(fā)展緩慢，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。直到1973年發(fā)生了世界石油危機(jī)，太陽電池才開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，太陽電池技術(shù)和制造工藝也開始進(jìn)入快速發(fā)展階段[1]。據(jù)報道，2007年全球太陽電池裝機(jī)容量3.43GW；2009年太陽電池市場需求8.96GW，其供應(yīng)量可達(dá)9.57GW；2012年全球太陽電池市場需求20.30GW，其供應(yīng)量21.20GW[2]。

1958年3月美國發(fā)射的先鋒1號衛(wèi)星和同年5月前蘇聯(lián)發(fā)射的人造地球衛(wèi)星3號首先采用太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合電源作為供電電源，半個世紀(jì)以來其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及各類長壽命衛(wèi)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(fā)射的我國第一顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐1號上應(yīng)用硅太陽電池。在我國已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星中，絕大多數(shù)都采用硅太陽電池作為衛(wèi)星的主電源。

自20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，GaAs太陽電池以其更高的轉(zhuǎn)換效率和更強(qiáng)的抗輻射特性，更好地滿足了航天任務(wù)的要求。GaAs太陽電池代表著空間用電池發(fā)展的方向。

1 空間用太陽電池的特點(diǎn)

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

現(xiàn)在大部分衛(wèi)星都在地球附近運(yùn)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(wèi)星經(jīng)過輻射帶后性能發(fā)生嚴(yán)重退化。衛(wèi)星在軌飛行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)給出了在軌運(yùn)行3～5年的衛(wèi)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(wěn)定性，因?yàn)樘栯姵靥峁┑哪芰渴切l(wèi)星任務(wù)成敗的關(guān)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(wèi)星發(fā)射時較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力、衛(wèi)星進(jìn)出地影時經(jīng)歷極端的溫度而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，牢固和高強(qiáng)度的太陽電池也是必須的。應(yīng)用于航天領(lǐng)域的太陽電池還要具有光電轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕和散熱性能好的特點(diǎn)。

表1 不同軌道在軌運(yùn)行3～5年衛(wèi)星的總輻照計(jì)量

2 空間用太陽電池的發(fā)展與現(xiàn)狀

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

2.1 單晶硅太陽電池

單晶硅(c-Si)電池的轉(zhuǎn)換效率較高，技術(shù)也很成熟，單晶硅用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成，純度要求達(dá)到4N甚至7N以上，N代表小數(shù)點(diǎn)后“9”的數(shù)量，4N為99.999 9%[2]。澳大利亞新南威爾士大學(xué)研制出了光電轉(zhuǎn)換效率為24.7%的單晶硅太陽電池，目前工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率約為17%[3]。單晶硅太陽電池自誕生就應(yīng)用于空間領(lǐng)域，具有高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度和較高的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，使用單晶N型硅為基底層，硼摻雜的P型硅作為發(fā)射極。后來，地面測試顯示N/P結(jié)構(gòu)（磷摻雜進(jìn)P型硅）的電池具有更好的耐輻射特性。從20世紀(jì)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(jié)構(gòu)。我國首次使用太陽電池作為主電源的實(shí)踐1號衛(wèi)星，鋪貼3 350片Si太陽電池，也是N/P結(jié)構(gòu)。

2.2 高效硅太陽電池

為了提高Si電池的轉(zhuǎn)換效率以更好地滿足航天任務(wù)需要，二十世紀(jì)六七十年代，人們對太陽電池進(jìn)行了改進(jìn)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(jié)，提高了電池的藍(lán)紫光光譜響應(yīng)。

（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(jié)合了BSF和BSR的優(yōu)點(diǎn)，具有比二者更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

直到20世紀(jì)70年代，Si太陽電池以其可靠性和可預(yù)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(fā)射的U-oSAT-1和UoSAT-2衛(wèi)星采用的Si電池，各提供60W的功率。1994年8月28日，日本發(fā)射了ETS-VI衛(wèi)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(jì)90年代初發(fā)射的24顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，采用標(biāo)準(zhǔn)Si電池作為主電源。我國的通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、軍用衛(wèi)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B(yǎng)SF電池。

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

2.3 砷化鎵單結(jié)和多結(jié)太陽電池

GaAs為直接躍遷型材料，對可見光吸收系數(shù)很高，因此GaAs太陽電池可制成薄膜型，質(zhì)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(yōu)點(diǎn)，滿足各種軌道衛(wèi)星任務(wù)的需求。目前，GaAs電池已經(jīng)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(jié)太陽電池現(xiàn)在最高轉(zhuǎn)換效率為28%[4]。

GaAs材料的禁帶寬度是1.4 eV，導(dǎo)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(zhuǎn)換效率。太陽光光譜可以分成連續(xù)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(jìn)去讓窄能隙的底層電池吸收，這種結(jié)構(gòu)的太陽電池稱為疊層太陽電池。GaAs疊層太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率為：雙結(jié)30%，三結(jié)38%，四結(jié)41%[5]。在層數(shù)到達(dá)一定程度，聚光條件下，理論的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到60%。雙結(jié)、三結(jié)電池聚光條件下的最高實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率分別為30.2%[6]和37.4%[7]。Spectro Lab的四結(jié)電池達(dá)到了40.7%的轉(zhuǎn)換效率。

20世紀(jì)70年代就開始對GaAs電池進(jìn)行了大量空間飛行實(shí)驗(yàn)，1970年和1973年前蘇聯(lián)發(fā)射的“月行器”I、II宇宙飛船上裝有實(shí)驗(yàn)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(wèi)星上安裝了1 800片2 cm×2 cm的GaAs電池組成的帆板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。日本從1982年開始研究空間用GaAs太陽電池。1987年發(fā)射的ETS-V搭載了GaAs電池進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)[8]。1999年4月，搭載了4 cm×4.1 cm的GaInP/GaAs電池的UoSAT-12進(jìn)行了歐洲首次GaAs疊層太陽電池飛行實(shí)驗(yàn)[9]。1988年9月發(fā)射的風(fēng)云-1A衛(wèi)星上，進(jìn)行了我國首次GaAs電池的衛(wèi)星標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)使用2 cm×2 cm的單結(jié)GaAs電池。1990年9月發(fā)射的風(fēng)云-1B衛(wèi)星上，直接在太陽電池帆板上安裝了54片GaAs電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明了GaAs電池的各項(xiàng)優(yōu)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(jié)起來有以下優(yōu)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(guān)系數(shù)要低約2倍；

（4）在軌壽命長40%～60%；

（5）光電轉(zhuǎn)換效率高20%～25%。

20世紀(jì)80年代以來，GaAs電池逐漸開始量產(chǎn)化，其相對于Si電池的價格也降到了10倍以內(nèi)，Si電池的價格優(yōu)勢逐漸喪失。歐洲航天局（ESA）太陽能發(fā)電部門主管Klaus Bogus稱，二者價格比率降到8倍以內(nèi)，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(wèi)星。前蘇聯(lián)1986年發(fā)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(fā)射的CS-3通信衛(wèi)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(fā)射了其“銥星計(jì)劃”的首顆衛(wèi)星，該工程計(jì)劃發(fā)射66顆通信衛(wèi)星，軌道距離地球700 km，每個衛(wèi)星的電池陣都由單片面積 24 cm2的GaAs/Ge電池組成。在其后發(fā)射的火星探測器上，GaAs電池也得到了成功的應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代末的時候，國外在造的商業(yè)衛(wèi)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(wèi)星使用了該類電池。神舟七號飛船的微小伴星上進(jìn)行了三結(jié)GaAs疊層電池的搭載實(shí)驗(yàn)，平均效率達(dá)26.5%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將為我國新一代衛(wèi)星平臺——東方紅四號平臺的衛(wèi)星和載人航天二期工程使用高效率三結(jié)疊層電池提供在軌飛行數(shù)據(jù)。

2.4 太陽電池在小衛(wèi)星和其它飛行器上的應(yīng)用

近年來，小衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展，質(zhì)量和體積不斷減小，成本也在下降。電源系統(tǒng)約占小衛(wèi)星質(zhì)量的40%，減小電源系統(tǒng)的質(zhì)量和提高電池的效率對小衛(wèi)星尤為重要。1991年，歐洲首個使用LPE技術(shù)制造的GaAs電池的衛(wèi)星UoSAT-5小衛(wèi)星發(fā)射[12]。1997年，歐洲第一個搭載5μmGaAs單結(jié)電池作為主電源的衛(wèi)星Equator-S升空[13]。2005年，美國國家航空和宇宙航行局發(fā)射了Space Technology-5計(jì)劃的首顆衛(wèi)星，衛(wèi)星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層電池，效率達(dá)到28%[14]。本世紀(jì)初，效率達(dá)到28%的太陽電池在美國已經(jīng)可以量產(chǎn)，三結(jié)疊層電池的應(yīng)用也已經(jīng)列于美國大部分的衛(wèi)星計(jì)劃[15]。

對于深空探測和行星探測任務(wù)，GaAs電池和Si電池都已被使用。距離更遠(yuǎn)的任務(wù)，Si電池（專門為低太陽照度和低溫設(shè)計(jì)）是首選的，配有輕質(zhì)量聚光設(shè)備的III-V族化合物單結(jié)或者多結(jié)太陽電池也表現(xiàn)良好。對那些運(yùn)行在太陽光輻照量只有地球上1/10情況下的衛(wèi)星，10倍的聚光強(qiáng)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(jì)劃的效果圖，計(jì)劃使用三結(jié)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(fā)展趨勢

未來發(fā)展趨勢是不斷提升GaAs疊層電池的轉(zhuǎn)換效率并加快其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不斷改進(jìn)和優(yōu)化硅電池的結(jié)構(gòu)，提升其效率和耐輻射特性；同時開發(fā)新材料的電池。繼續(xù)研究和發(fā)展聚光設(shè)備，解決聚光系統(tǒng)的散熱問題，并早日應(yīng)用于衛(wèi)星電池帆板。

隨著人類對空間開發(fā)的不斷深入，空間用太陽電池的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之拓展。距離地球更遠(yuǎn)的衛(wèi)星發(fā)射將持續(xù)增加，包括近太陽計(jì)劃，遠(yuǎn)離地球的各種探測器發(fā)射計(jì)劃，比如火星和小行星帶探測器。月球和火星基地的建設(shè)也將被列入計(jì)劃。這些任務(wù)中的一部分將使用太陽能電力推進(jìn)來取代火箭動力，美國1998年發(fā)射的Deep Space I已經(jīng)成功地應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。太陽能發(fā)電衛(wèi)星也是未來的發(fā)展方向，產(chǎn)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(wèi)星提供能量的衛(wèi)星。

[1] TORCHINSKAYA T V.Currentstatus of space and terrestrial solar energetics[J].Opto-ElectronicsReview,1998,6(2):121-130.

[2] 翁壽松.太陽電池及其設(shè)備[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008,37(4):1-5.

[3] 李亞丹.硅太陽電池關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué), 2009：2-3.

[4] CHAURE N B,YOUNG J,ESAMANTILLEKE A,et a1.Electrodeposition of p-i-n CuInSe2multi-layers for photovoltaic applications[J].Solar Energy Materialsand Solar Cells,2004(81):125-133.

[5] 于敏麗，孟紅秀.GaAs疊層太陽電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007,24(3):41-43.

[6]FRIEDMAN D J,BERTNESSK A,KURTZ SR,et al.30.2%-efficient GaInP/GaAs concentrator solar cells[C]//Proceedings of the 13thNREL Photovoltaics Program Review.Lakewood,CO,USA: 13thNRELPhotovoltaicsProgram Review,1995:150-154.

[7]YAMAGUCHIA M,TAKAMOTOB T,ARAKIK.Super high-efficiency multi-junction and concentrator solar cells[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2006,90:3068-3077.

[8]KAWASAKIO,HISAMATSU T,MATSUDA S.Flight data from solar cellmonitor on engineering testsatellite-VIand ground test data[J].Solar Energy Materialsand Solar Cells,1998,50:315-329.

[9]TAYLORSJ,HARDINGHAM CM,HUGGINSCR,etal.Shadow protection for tandem solar cells in space[J].Solar Energy Materials &Solar Cells,2001,66:567-571.

[10] MEYER M,METZERG R A.Flying high:The commercial satellite industry converts to compound sem iconductor solar cells[J]. Compound Sem iconductorMagazine,1996(2):40-42.

[11]TAKATA N,KURAKATA H,MATSUTA S,etal.Space proven GaAssolar cells-main power generation for CS-3[J].IEEE,1990,2: 1219-1225

[12]CROSS T A,HARDINGHAM C M,HUGGINSC R,et al.GaAs solar panels for small satellites:Performance data and technology trends[C]//Proceedings of 25thPVSC.Washington:IEEE,1996: 277-282.

[13]BEBERMEIER H,BROKER H,WEHNER K H.The first solar array w ith 5pm GaAs solar cells[C]//Proceedings of 25thPVSC. Washington:IEEE,1996:301-304.

[14]LYONS J,FATEM IN,GARNICA R,et,al.Design and development of the space technology 5(ST5)solar arrays[C]//IEEE 31th Photovoltaic Specialists Conference.Orlando,USA:IEEE,2005: 802-805.

[15]STROBLG,DIETRICH K,HILGARTH J,et al.Advanced GaInP/Ga-(In)As/Ge triple junction space solar cells[C]//Proceedings of 3rdWorld Conference on Photovoltaic Energy Conversion.Osaka, Japan:IEEE,2003:658-661.

[16] ILESPA.Evolution of space solar cells[J].Solar Energy Materials &Solar Cells,2001,68:1-13.

[17]STROBLG FX,DIETRICH R,HILGARTH J,etal.Evolution of fully European triple GaAs solar cell[C]//Proceedings of Seventh European Space Power Conference.Stresa,Italy:ESA SP-589,2005.

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?yàn)榧す馀c物質(zhì)的相互作用。