太陽能作為一種清潔、可再生的能源，在能源領域中扮演着越來越重要的角色。除了地面上的各類太陽能電池之外，人們在衛星、空間站和深空探測器等航天器上也應用了高性能太陽電池，用來作為這些裝置的能量來源，為其在空間長期運作提供保證。
圖1 天宮空間站（圖檔來源：Wikipedia）
在諸多類型的太陽能電池中，鈣钛礦太陽電池是新一代太陽能電池技術的代表，它具有更高的轉換效率，未來可能具備廣闊的應用前景，是以備受關注。
為了讓太陽能電池在飛行器上順利使用，科學家們必須先讓它們來一次高空标定之旅，這項旅程不僅揭示了太陽能電池的神秘面紗，還為我們展示了科學家們在航天領域取得的重要突破。
“聲名鵲起”的鈣钛礦太陽能電池
太陽能電池的原理是光生伏特效應，也就是說當光線照射到太陽能電池表面時，會激發出電子并産生電壓。這個過程使得光能轉化為電能，為我們提供了一種清潔且可持續的能源來源。簡而言之，太陽能電池就像是把陽光變成電力的魔法裝置。
圖2 光生伏特效應原理圖（圖檔來源：Wikipedia）
傳統上使用的太陽能電池是基于矽材料的單晶矽太陽能電池，它們雖然目前應用廣泛，但是其制造成本高、在光的吸收效率上有限、對光線的散射較為敏感，在弱光條件下性能顯著下降，這些缺陷限制了它們的大規模應用。
圖3 傳統單晶矽太陽電池（圖檔來源：Wikipedia）
為了解決這些缺點，科學家們進行了長期的研究，先後探索了薄膜太陽能電池，包括銅铟镓硒（CIGS）薄膜電池、銅铟硒硫（CISS）薄膜電池、非晶矽（a-Si）薄膜電池等。這些電池材料較薄，可以在靈活的基底上制造，但效率仍有待提高，并且一些材料成本較高。而之後出現的有機太陽能電池在理論上有很大潛力，但在實際應用中效率相對較低，且穩定性不夠。
随着科技的進步，鈣钛礦太陽能電池（其實它裡面既沒有鈣，也沒有钛）逐漸吸引了人們的目光，并以高效率、低成本、易制備的特點迅速在光伏行業中占領一席之地。
圖4 鈣钛礦太陽電池（圖檔來源：Wikipedia）
鈣钛礦太陽能電池是以鈣钛礦型（ABX3型）晶體作為吸光層材料，鈣钛礦是一種三維晶體結構，作為電池原材料表現出了極佳的光學吸收性能，以及出色的電荷運輸能力。
鈣钛礦太陽能電池的結構類似于“夾心面包”，我們可以将外層面包皮比作鈣钛礦晶體的外層表面，它可以保護晶體内部的結構，并包含兩側的電極，面包次外層是空穴傳輸層和電子傳輸層；将夾心比作鈣钛礦晶體的鈣、钛和氧等元素組成的結構；将調料比作鈣钛礦晶體的缺陷或雜質，它們可以影響晶體的性能和特性。當電池受到陽光照射時，夾心層就會吸收光子能量，利用面包層在外電路形成電荷定向移動來産生電流。
圖5 鈣钛礦結構圖（圖檔來源：自制）
作為新生代太陽能電池，鈣钛礦太陽能電池不僅具有優異的耐用性，而且非常柔韌，展現了輕、薄、靈活的優勢。不僅可以克服傳統晶矽太陽能電池成本高、能耗大，還可以打破效率轉換的“天花闆”。
空間标定:飛向太空的“通行證”
鈣钛礦電池因其卓越的性能在太陽能電池領域引起了巨大的轟動。它不僅能在廣泛的溫度範圍内運作，還能在惡劣的太空輻射環境下高效穩定使用。這些特點使得鈣钛礦電池成為了空間應用的完美選擇。
然而，在飛行器的能源系統設計中，精确的性能參數至關重要。是以在空間用太陽能電池的廣泛應用之前，必須進行準确的标定，以確定其在太空環境中能夠穩定工作，為飛行器的能源供應和運作提供可靠支援。
飛行器能源系統包括發電單元、儲能電源和能源管理與配電單元等，其中太陽電池陣列就使用于發電單元上，由若幹單體電池組成，設計時一般參考單體标準測試或标定的數值。
若單體電池測試結果偏大，則設計的太陽電池陣供電能力無法滿足空間飛行器的實際能源需求，造成供電不足，嚴重時導緻飛行任務失敗；若測試結果偏小，設計的太陽電池陣尺寸将會偏大，造成能源系統偏重，影響和擠占載荷的重量，導緻飛行成本增加，因而空間标定準确性相當重要。
标定是對電池的性能參數進行精确測量（包括電池的開路電壓、短路電流、I-V特征曲線等）和校準的過程，使其能夠在實際應用中發揮最佳性能。
空間标定主要通過高空實驗來完成，確定電池在臨近真實空間環境中的性能資料。空間标定方法多種多樣，包括高空氣球、火箭标定以及在軌标定（衛星、空間站）等。這些方法能夠将電池置于接近實際應用場景的環境中進行标定，進而獲得更準确的資料并降低測量不确定度，為其在太空中的應用提供可靠的資料支援。
正是由于鈣钛礦電池在高效率和穩定性方面的卓越表現，以及針對其在太空環境下的精确标定，使得它成為了航天器中電能供應的首選，為我們的航天事業注入了新的活力和動力。
飛上高空搞标定
在廣闊的太空中，科學家們為了確定鈣钛礦太陽能電池在飛行器上能夠如魚得水地工作，創造了一個奇幻的标定之旅。這項神秘的任務被稱為“高空飛行标定法”，它的目标是為鈣钛礦電池找到完美的性能參數，讓它們在太空中發揮出色。
國内外一些機構已經開展了一系列太陽電池标定的研究試驗。針對不同的設計需求，我們可以采用不同的标定方式，進而将測量環境推至接近實際應用場景，獲得更準确的資料，并減小測量不确定度。這種持續性的标定工作對于太陽電池技術的發展至關重要，它可以為太陽能領域提供可靠的性能參數和參考資料。
圖6 多種标定方式對比圖（圖檔來源：自制）
在軌标定為空間原位标定，包括衛星、空間站、航天飛機，但因其發射成本高、發射周期長且電池很難回收，一般是用來驗證其他标定方法的手段。美國國家航空航天局（NASA）曾分别在航天飛機與高空氣球實驗中對一塊電池進行标定，結果顯示最大偏差為1.12%，均方根偏差僅為0.57%，這表明使用氣球進行标定的結果與在軌标定的結果非常相似。
圖7 國際空間站上的電池标定（圖檔來源：參考文獻1）
火箭标定是另一種到達空間環境進行标定的有效手段，但其缺點是真正用于标定的時間很短，不能保證有足夠的有效資料，且不能保證電池片被太陽垂直照射。
洛克希德飛彈與航天公司和艾姆斯研究中心的研究人員分别于1974年和1976年使用火箭進行了兩次校準實驗，最大飛行高度達251km，其中一個電池于1974年在36km高空進行過氣球實驗校準。将氣球和火箭實驗的結果進行比較，結果僅有0.3%的差異，這表明使用氣球進行校準的結果與使用火箭飛越大氣層的結果非常相似。
圖8 慕尼黑技術大學的MAPHEUS-8火箭（圖檔來源：參考文獻2）
高空氣球标定高度可達 35km 以上，此處的殘餘大氣濃度低于 0.5%，水蒸氣、臭氧等的含量極低，對太陽光的吸收和散射作用很小，太陽輻射環境已基本接近空間太陽輻射，是以，考慮标定電池的回收，标定便利性和準确性，高空氣球标定法無疑是最合适的空間太陽電池的标定方法。美國宇航局/噴氣推進實驗室（NASA/JPL）、法國空間研究中心(CNES)、日本宇宙科學研究所(JAXA)和中國科學院等機構均進行了多次高空氣球标定試驗，标定了很多新型的太陽電池，極大的推動了空間太陽電池的研究與發展。
圖9 中國科學院高空氣球标定試驗圖（圖檔來源：參考文獻3）
空間标定的高空氣球之旅
無論是上述哪一種标定方法，想要準确的測量鈣钛礦太陽電池的性能，标定裝置的組成都大緻包含以下三部分：飛行平台、太陽對準裝置、資料采集裝置。下面将以高空氣球标定法為例進行簡要的分析。
圖10 标定系統結構圖（圖檔來源：自制）
在這個神奇的标定之旅中，科學家們将待測的鈣钛礦電池裝載到高空氣球中，讓它們飛上海拔35km以上的臨近空間。在高空氣球平飛的過程中，精密的追蹤裝置像“向日葵”一樣追蹤太陽，使太陽光線垂直照射在電池上，測量裝置同時測量電池的輸出特性，如短路電流、開路電壓、溫度等。測試結束後，地面控制台遙控切割器，從高空氣球下分離标定裝置，并使用降落傘将标定裝置安全送往地面，回收車隊根據定位安全回收标定裝置和其中的太陽電池片。
這個高空飛行标定法的神奇之處在于，它創造了一個接近真實太空環境的實驗場景。在高空中，大氣濃度低、水蒸氣和臭氧等元素含量極少，太陽輻射環境與太空相似，為電池的性能參數标定提供了理想的條件。通過這個标定方法，科學家們可以獲得準确的性能資料，為鈣钛礦電池的應用提供堅實的支援。
空間标定的意義與前景
空間标定為鈣钛礦太陽電池研究提供了重要的資料和參考，除了能幫我們了解太陽能轉換過程、優化電池性能以及推動清潔無污染的太陽能技術的發展之外，還能為其他領域的研究提供啟示，如外星基地建設、太陽能遠端監測和環境科學等。在未來，太陽能電池技術一定會有更廣泛的應用，幫助我們進入一個可持續的、更光明的未來。
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[3] 徐國甯, 唐宇, 李兆傑, 等. 太陽電池高空氣球标定關鍵技術研究[J]. 太陽能學報, 2021,42(10):94-104.
作者：莊春雨 錢璐 黃宛甯
作者機關：中國科學院空天資訊創新研究院