综述：探索柔性且高特定功率光伏组件和阵列在太空应用中的潜力

《Joule》：Surveying the potential of flexible and high-specific-power photovoltaic assemblies and arrays for space applications

本文综述了柔性光伏技术在空间应用中的发展，涵盖高效多结太阳能电池、轻量化架构设计及辐射硬化技术，分析了国际空间站等现有系统与未来火星、月球任务中的光伏阵列需求，并探讨了新型薄层材料和商业部署系统的潜力。

　　柔性且轻量化的太阳能阵列在推动航天任务发展方面发挥着关键作用，它们能够提供高比功率、紧凑的收纳以及在各种空间环境中可靠展开。本文回顾了柔性光伏技术的发展历程，探讨了太阳能电池、模块和阵列的演变过程，特别关注其在行星科学任务和轨道服务中的应用。文章详细介绍了高比功率阵列的制造方法，包括商业产品和新兴技术，并讨论了在设计轻量化架构和互连系统方面面临的挑战。同时，本文还评估了这些太阳能阵列在轨道和星际任务中的光电性能，指出了在功率传输和辐射耐受性方面的权衡。研究结果强调了柔性太阳能阵列在支持未来任务、包括月球基地建设和火星与金星探索中的重要性。这项工作突显了柔性与可展开的光伏技术在未来航天探索与服务中的关键作用，为新一代航天系统提供了支撑。

自1958年以来，太阳能电池在航天领域的应用取得了显著进展。那一年，贝尔实验室推出了首个商用太阳能电池，仅四年之后，一款由六块单晶硅太阳能电池组成的1瓦太阳能阵列成为航天应用的重要里程碑。这款太阳能阵列为Vanguard 1卫星供电，该卫星是一个小型球体，由铝制成，重量为1.46千克，直径为16.5厘米，其比功率低于0.68瓦/千克。Vanguard 1展示了太阳能电池在航天行业中的关键作用，为运行在太阳系合理距离内的航天器提供了长期的能源来源。从Vanguard 1卫星上的微瓦级电力到国际空间站（ISS）上多个千瓦的太阳能阵列，太阳能电池已成为几乎每颗卫星的核心能源供应装置，对军事行动、科学研究和通信至关重要。目前的先进太阳能阵列的发展不仅得益于高效太阳能电池技术的进步，还受益于大型结构的部署系统的创新，特别是那些能够最大化空间载荷可用功率的紧凑和轻量设计。

比功率，即功率与质量或体积的比率，已成为科学任务，如太空探索中的关键技术要求。在实现太阳能电池阵列的质量和体积之间的最佳平衡，以及为设备和推进器提供能源供应的同时，还需要考虑其运行范围。为了应对这些挑战，已经开发了多种光伏组装（PVA）架构，包括可展开系统，其中包含刚性或柔性太阳能板或毯子，用于形成更大的“机翼”。特别是柔性基板推动了高比功率系统的开发，这些系统集成了高效多结（MJ）太阳能电池（效率超过30%）。例如，UltraFlex阵列设计展示了在标准辐射条件下（空气质量零[AM0]，约1365瓦/平方米）和60摄氏度下，初始比功率（BOL）值可以超过150瓦/千克。

自20世纪60年代首次提出使用硅太阳能电池的柔性PVA概念以来，到2000年为止，仅有少量研究和专利被发表（图2A）。许多这些创新属于各国航天机构和军事防御计划的机密，直到最近几十年才被公开。此外，核能电源在深空探索任务规划中也起到了重要作用，因为它们提供了可靠的、不受太阳依赖的能源解决方案。这种保密性以及对核系统的依赖，解释了柔性太阳能电池架构在公共/学术会议和科学文章中的发展轨迹相对较低。然而，近年来情况发生了变化，出现了明显的发展趋势，特别是在商业辐射硬化柔性设备的开发方面。这些进展主要集中在柔性且更薄的硅太阳能电池和阵列、轻质III-V MJ太阳能电池和元件、柔性保护玻璃和涂层，以及铜铟镓硒（CIGS）、钙钛矿和有机太阳能电池等薄膜设备。这些研究趋势在图2B中通过过去十年科学文章关键词共现分析得以体现。

21世纪见证了航天产业的蓬勃发展，使其更加开放并吸引了新的市场参与者。新的航天经济正在迅速发展，涵盖了一系列商业活动，包括卫星通信、地球观测、太空旅游、小行星采矿甚至殖民计划。技术创新和从Alpha Centaur到Falcon火箭的发射成本降低推动了这一热潮，使太空探索更加可行和经济。新的航天经济促进了跨学科合作，并增强了公共与私营部门之间的信心，同时引入了新的参与者，如中国。中国已经成为柔性光伏阵列开发领域的重要力量，其专利数量在2020至2024年间达到了约63%，而这一比例在2010年代仅为4%，当时美国在专利申请方面占据主导地位（表1）。在这一十年中，国际空间站（ISS）上第一代太阳能阵列的制造和部署标志着柔性可展开太阳能电池翼在太空探索中的重要进展。这些阵列，也被称为“传统阵列”或太阳能阵列翼（SAWs），于2000年至2009年间被发射并安装。每块SAW由两块可收回的硅太阳能电池毯组成（图3A），中间有一根35米长、12米宽的支架（图3B），可提供约28瓦/千克的比功率（在1天文单位[AU]处，总功率为31千瓦，质量为1080千克）（图3C）。考虑到当时的技术限制、太阳能电池效率和任务成本，这一比功率仍然显著高于2024年航天器上安装的最大太阳能翼。例如，针对木星系统的欧罗巴快船（Europa Clipper）和木星冰卫星探测器（JUICE）航天器的太阳能阵列采用了高效率的III-V MJ太阳能电池（在AM0条件下，初始效率超过28%），并设计为两块可展开翼。这些阵列在大约5 AU处的平均比功率输出分别为1.27和2.18瓦/千克。值得注意的是，这些数值相较于地球轨道上的其他标准操作程序（SOP）可展开太阳能阵列显得较低。因为这些翼是专为木星及其卫星周围低光照和低温（LILT）条件设计的，如果用于地球轨道的航天器，欧罗巴快船和JUICE的功率密度预计可分别达到30-40和54-75瓦/千克。根据这种相关性，可以制造八块欧罗巴快船太阳能阵列，使用ISS SAWs的结构。这一比较清楚地突显了ISS的巨大尺寸及其显著的能量需求，这些需求通过传统阵列和电池得到了满足。然而，在过去的几十年中，这些阵列由于恶劣的空间环境而经历了性能下降。在操作初期的研究中，估计短路电流的平均年衰减率为0.3%。这种性能下降主要归因于多种环境应力因素，包括来自高能电子和质子的辐射损伤、由紫外线（UV）辐射、原子氧（AO）和推进器羽流产物引起的光学退化和表面污染、等离子体诱导的溅射和电弧、微陨石和轨道碎片的撞击，以及由于反复热循环导致的机械疲劳。为了应对ISS上可能的能源短缺，2021年至2023年间，安装并展开的可卷式柔性太阳能电池阵列是迄今为止制造的最大尺寸。总共安装了八块可卷式太阳能阵列（ROSAs），这些阵列采用独特的可展开架构，使用复合支架，被命名为iROSA。这些ROSAs展示了高比功率、柔性且可卷式太阳能阵列在未来任务和商业航天应用中的潜力（图3D）。由REDWIRE（前身为Deployable Space Systems [DSS]）开发的每块iROSA单元，包含一对柔性毯状太阳能阵列，长度约为20米，宽度约为6米，相当于完整展开的ISS SAWs长度和宽度的一半（图3E和3F）。根据REDWIRE提供的数据，这种轻量级柔性毯状阵列能够提供超过100瓦/千克的比功率，其额定输出超过20千瓦。这种卓越的功率密度得益于垂直匹配的多结太阳能电池（如波音SPECTROLAB开发的30.7%效率的XTJ Prime太阳能电池）、柔性基板和复合轻质支架的使用。此外，其收纳体积容量超过40千瓦/立方米，这比传统ISS可折叠SAWs的收纳体积容量高出约四十倍。ROSA的出现为柔性阵列在太空探索中的应用开辟了新的途径，如在双小行星重定向测试（DART）任务中的成功应用，以及在商业市场中的电信卫星Ovzon 3中的应用。未来，ROSA还可能为美国国家航空航天局（NASA）的月球门户（Lunar Gateway）项目提供动力。除了ROSA架构中的柔性毯状设计和类似UltraFlex的航天器圆翼设计，高效率的III-V MJ太阳能电池也对这些阵列技术的成功起到了重要作用。这些太阳能电池在航天领域有着悠久的历史，因其卓越的效率、辐射耐受性和经过飞行验证的可靠性而长期占据主导地位。III-V MJ太阳能电池已为从地球轨道卫星到深空探索的各种任务提供了动力。近年来，材料科学和制造技术的进步正在推动新一代更薄、更轻、更高效的光伏太阳能电池的发展。这些新一代航天设备不仅旨在提高性能，还致力于实现低成本加工和高吞吐量的生产方法，以应对关键的经济和物流限制。在这一不断演变的领域中，柔性硅、CIGS、钙钛矿和有机太阳能电池正逐渐成为重塑太阳能阵列架构的有前景的候选者。它们可以通过卷对卷和片对片等可扩展技术进行制造，结合其基板的固有机械灵活性，使其成为传统刚性面板的有吸引力的替代方案。此外，它们与轻质展开系统的兼容性以及降低发射质量的潜力，使其成为传统III-V MJ技术的重要补充。随着研究继续改进它们的稳定性和辐射耐受性，这些新材料有望在未来航天技术中发挥重要作用。同时，III-V MJ太阳能电池也在向更高效率和柔性设计发展，以实现高产量和低成本制造，从而在未来的航天生态系统中保持其关键地位。