《ACS Energy Letters》：Space Economy as a Power, Mass, and Qualification Problem: Role for Emerging Photovoltaics
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近地空间经济的快速扩张正将空间光伏技术转化为一个耦合的功率、质量与鉴定认证难题。随着巨型星座、轨道数据基础设施及其他扩散式架构的规模不断扩大，当前基于硅（Si）与III–V族半导体的太阳能电池阵列在质量、阻力、屏蔽及寿命末期功率保持方面面临日益严峻的代价。研究
近地空间经济的快速扩张正将空间光伏技术转化为一个耦合的功率、质量与鉴定认证难题。随着巨型星座、轨道数据基础设施及其他扩散式架构的规模不断扩大，当前基于硅（Si）与III–V族半导体的太阳能电池阵列在质量、阻力、屏蔽及寿命末期功率保持方面面临日益严峻的代价。研究人员指出，包括铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、卤化物钙钛矿及有机太阳能电池在内的新兴薄膜光伏技术正因空间应用潜力受到关注。研究人员认为，其真正潜力不仅取决于轻量化形态与可扩展制造能力，更依赖于开发能够针对未来空间系统可能面临的广泛环境进行空间耐受性评估的轨道相关基准测试框架。
研究背景与意义
随着Space 2.0时代的到来，商业航天公司如SpaceX星链（Starlink）、亚马逊柯伊伯计划（Kuiper Project）等规划部署总计达170万颗卫星，应用涵盖卫星互联网、国家安全、气象监测及天基太阳能电站等。气候变化引发的极端天气频发，需要低轨低延迟卫星加强灾害预警。同时，人工智能（AI）模型训练能耗巨大且产生温室气体排放，促使谷歌“捕日者计划”（Project Suncatcher）等提出轨道计算（orbital compute）概念，即在近地轨道大规模部署数据中心，以减少地面设施受自然灾害与军事冲突威胁。NVIDIA支持的初创公司Starcloud已在325公里轨道成功运行并训练H100 GPU的大语言模型，并计划发射Blackwell B200 GPU及8.8万颗卫星构建轨道计算基础设施。BlueOrigin的日出计划（Project Sunrise）亦拟部署数万颗太阳同步轨道卫星与中轨TeraWave卫星协同支持该目标。这些发展使电力供给与寿命末期功率保持成为关键瓶颈。
近地轨道（LEO）卫星数量激增导致发射质量与密度显著上升，SpaceX猎鹰9号（Falcon 9）的可重复使用大幅降低发射成本至约1500美元/千克，未来星舰（Starship）与新格伦（New Glenn）火箭将进一步降至约250美元/千克。麦肯锡预测到2035年空间经济规模将达到1.8万亿美元。然而，高密度部署带来凯斯勒综合征（Kessler syndrome）风险、空间碎片累积、光污染及大气阻力导致的轨道衰减等问题。低轨优势在于大气阻力可帮助退役卫星快速离轨减少长期碎片，但也带来阻力惩罚，使大面积太阳能电池阵列更易受轨道衰减影响。传统硅与III–V电池需厚玻璃罩防辐射，质量与成本代价随轨道高度与辐射通量上升而加剧。
研究人员指出，现有光伏制造能力无法满足未来轨道计算所需的百吉瓦级产能，需探索新型轻质高效且辐射耐受的光伏技术。
关键技术方法
研究人员采用文献计量分析（Web of Science数据库）追踪CIGS、CdTe与钙钛矿空间光伏研究趋势；结合历史与规划的卫星发射数据与轨道环境参数（辐射通量、温度循环、超高真空、原子氧、紫外辐射）建模功率与质量需求；回顾LIPS-III等高轨实验及多种薄膜光伏的辐射效应机制研究；提出针对新兴光伏的基准测试框架建议，包括修改美国航空航天学会（AIAA）现有辐射测试协议以适应低能质子辐照条件。
研究结果
LEO on the Brink
分析显示2019年后LEO部署量呈指数增长，主要由Starlink推动。大运力可回收火箭降低发射成本，预计Starship与新Glenn将使载荷能力突破120吨与45吨，支撑数十万颗卫星部署。高密度LEO带来碎片风险、光反射与大气污染等挑战，同时低轨辐射环境对太阳能电池与电子器件构成威胁。
Early Forays into Radiation-Tolerant PV
早期非晶硅（a-Si）因无序晶格氢钝化缺陷表现出较高电子与α粒子辐射耐受性，但效率较低且存在Staebler-Wronski效应初始功率衰减。LIPS-III任务比较单晶硅、a-Si、III–V及CIS性能，发现超薄单晶硅优于厚片，磷化铟（InP）电池无退化，归因于少数载流子注入促进的重组辅助缺陷退火（REDA）。CIGS与CdTe则依赖铜离子低温迁移修复辐射空位缺陷。
Emerging Thin-Film PV and the Need for Benchmarking
卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）与有机太阳能电池（OSCs）因潜在在轨制造与就地资源利用（ISRU）备受关注。PSCs兼具位移损伤（NIEL）与电离效应（IEL）响应，其软晶格、强电声耦合和低热导率可在室温实现辐射缺陷愈合，被称为“声子玻璃-电子晶体”。缺乏针对PSCs的统一基准测试体系，研究人员建议引入低能质子（75 keV）测试并修订AIAA协议。OSCs尚处起步阶段，聚合物受体易受辐射化学键断裂影响，需封装层或材料工程提升耐受性，其无毒组分在空间可持续性方面具优势。
Outlook
极低地球轨道（VLEO）可减少通信延迟并加快自然离轨，但需平衡功率输出与阻力导致的轨道衰减。新兴薄膜光伏实验室比功率可达50,000 W/kg，远高于传统空间光伏的约1,000 W/kg，有望减少阵列过尺寸化及其阻力代价。
讨论与结论
研究人员总结，近地空间经济将光伏技术置于功率、质量与鉴定认证的耦合约束之下。传统硅与III–V阵列在高密度扩散式架构中面临屏蔽、过尺寸、阻力及寿命末期功率保持的不利权衡。新兴低成本薄膜光伏凭借柔性形态、高比功率和可扩展制造能力提供了替代路径，但其实际作用取决于能否建立覆盖全轨道环境的基准测试框架，以严谨评估性能保持能力。该研究发表于《ACS Energy Letters》，为下一代空间能源系统设计提供了技术路线图与标准化方向。
