随着一支新的机器人探险队的到来,太空观察世界的目光现在可能定格在火星上,但今年晚些时候,美国宇航局雄心勃勃的 "露西 "任务将抢走一些风头。露西号将于10月16日发射,执行一项长达十几年的任务,它将前往木星,即木星轨道上的遥远小行星。


以前对外太阳系的探索大多依靠昂贵的放射性同位素热电发生器,如旅行者号和新视野号探测器。相反,露西号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,每个阵列的直径为6米(20英尺)。超越木星轨道将使露西比之前的任何太阳能电池板离太阳更远--之前的记录是朱诺号,它目前在木卫二轨道上。

为卫星提供动力的高效太阳能电池有望商业应用吗?

露西的航天器结构和机制负责人凯蒂-奥克曼(Katie Oakman)说:"太空的 "极端电力要求 "几乎是太阳能阵列如此巨大和惊人的原因的关键。”


这意味着将光电池研究推向与专注于开发地球上使用的太阳能的研究不同的方向。虽然廉价的硅光电池为地球上的清洁能源过渡提供了动力,但太空太阳能必须依靠其他类型的太阳能电池板。


条件各不相同,但太空中的光伏技术面临着一些挑战。即使在地球的简陋轨道上,卫星也在大气层的保护之外运行。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:比如说,它比我们在地面上看到的有更多紫外线。


太空中还有一个危险:电离辐射。地球轨道上的太阳能电池板可能面临范艾伦带的漩涡,而其他地方的太阳能电池板可能需要承受太阳的太阳风。随着时间的推移,这种辐射会侵蚀太阳能电池的有效性。一块太阳能电池在地球同步轨道(约36,000公里(22,000英里)高)上待了15年,其有效性将下降到80%左右。


20世纪50年代和60年代的非常早期的卫星使用了硅光电池。但设计者很快就开始研究所谓的多结(MJ)III-V型太阳能电池,用多种材料层制成,每种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。

为卫星提供动力的高效太阳能电池有望商业应用吗?

位于丹佛郊外科罗拉多州金市的国家可再生能源实验室(NREL)的科学家Ryan France说,航天工业使用III-V型太阳能电池已经有相当长的一段时间了。


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电池推向了被吹嘘的50%的效率里程碑。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。


把它带回地球


然而,在地球上,MJ电池面临着一个经济障碍:硅光电池的低成本和压倒性的市场支配地位,结合在一起,使得MJ电池的商业化举步维艰。自1980年以来,硅电池的价格已经下降了60倍,这种下降几乎没有停止的迹象。


到目前为止,MJ电池主要用于集中式太阳能发电,它使用镜子或透镜来集中和加强太阳能电池板上的太阳光。这产生了令人印象深刻的效率数字,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将他们的目标从50%的性能转移到了降低MJ电池的成本上。France说,我们越是降低成本,我们可能拥有的市场就越多。他们希望为MJ电池的新应用铺平道路,尽管目前还不清楚所有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太空应用。而且奥克曼认为,像露西这样的展开式太阳能电池板在人类的外世界未来也有一席之地--特别是在木星附近,那里的温度和光照水平比地球附近要低得多。


她说:"如果我们想继续向外太阳系发送航天器,那么我认为在未来有各种机会使用这种类型的设计。"


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