高效率的太阳能电池能为卫星提供动力吗?

随着新一批机器人探险队的到来,观察太空世界的目光现在可能会聚焦在火星上,但今年晚些时候,美国宇航局(NASA)雄心勃勃的 "露西(Lucy) "任务将抢走一些风头。10月16日,露西发射升空,执行了长达10多年的任务,她将前往特洛伊群岛,即木星轨道上的遥远小行星。

以前大多数对外太阳系的探索都依赖昂贵的放射性同位素热电发电机,比如Voyager号和New Horizons号探测器。相反,露西携带了一对太阳能电池板阵列。它们像巨大的手扇一样展开,每个阵列直径6米(20英尺)。超越木星轨道将使露西比以往任何一块太阳能电池板都离太阳更远 —— 之前的记录是朱诺号(Juno),它目前在木卫二轨道上。

露西的航天器结构和机构负责人Katie Oakman说,目前的“极端电力需求”是“太阳能电池板如此巨大和惊人的原因的关键所在”。

这就意味着要把光体积研究从不同的方向推进到专注于开发用于地球的太阳能的研究。虽然廉价的硅光伏电池为地球的清洁能源转型提供了燃料,但太空太阳能必须依赖其他类型的太阳能电池板。这意味着天基太阳能电池板在极度寒冷和高温之间面临着剧烈的温度波动。而且这种阳光是不同的:例如,它的紫外线比我们在地面上看到的要多。

太空中还有另一种危险:电离辐射。地球轨道上的太阳能电池板可能面临范艾伦带(Van Allen belts)的漩涡,而其他地方的太阳能电池板可能需要经受住太阳风的考验。随着时间的推移,这种辐射会侵蚀太阳能电池的效率。一个太阳能电池在地球同步轨道上运行15年,大约36000公里(22000英里)高,其有效性将下降到80%左右。

20世纪50年代和60年代的早期卫星使用硅光伏电池。但设计师很快就开始研究所谓的多结(MJ)III-V太阳能电池,这种电池由多层材料制成,每层材料吸收不同波长的光。MJ电池的效率更高,在太空的非地球条件下更有弹性,而且更轻。
“由于这些原因,航天工业使用III-V太阳能电池已经有相当长的一段时间了,”位于丹佛郊外科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)的科学家Ryan France说。

NREL在过去几十年里率先推出了MJ III-V电池,最近,研究人员将MJ电池推向了号称效率达到50%的里程碑。大多数MJ电池由三层组成,但在2020年,NREL的研究人员提出了一种六结电池,在集中的阳光下效率达到47%,优于硅光伏电池。

Bringing it Back to Earth

然而,在地球上,MJ电池面临着一个经济障碍:硅光伏电池的低成本和压倒性的市场支配地位,加在一起,使MJ电池商业化成为一场斗争。自1980年以来,硅电池价格下跌了60倍,这种下跌几乎没有停止的迹象。

到目前为止,MJ电池主要用于聚光太阳能,利用镜子或透镜将太阳光聚焦并增强到太阳能电池板上。这产生了令人印象深刻的效率数据,但在实验室之外,它还无法与廉价的硅竞争。

但是NREL的研究人员现在已经把他们的注意力从50%的性能指标上转移到降低MJ电池的成本上。“我们越是降低成本,”France表示,“我们就可能拥有更多的市场。”他们希望为MJ电池可以获得新的应用铺平道路,尽管目前还不清楚这些应用可能是什么。

但更便宜的太阳能电池无疑将反过来有利于空间应用。Oakman认为,像露西这样展开的太阳能电池板在人类的未来也有一席之地,尤其是在木星附近,那里的温度和光照水平比地球附近要低得多。

“如果我们想继续向外太阳系发射宇宙飞船,”她说,“那么我认为未来有各种各样的机会使用这种设计。”

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