根据世界各国的太空计划，数十万颗卫星星座将被部署在不超过2000 km的高度，并相互连接形成网络以实现增强的宽带互联网、电力波束、科学探索和全球定位系统等，这些计划包括但不限于SpaceX的“星链”、亚马逊的“Kuiper”项目等。2024年3月1日，我国也成功地将卫星互联网高轨卫星01星发射升空。这些可持续发展的低轨道卫星项目都需要可靠的电源。此外，地球静止轨道、月球轨道、火星轨道以及月球或火星科研站(中国的国际月球科研站计划和美国的阿尔忒弥斯任务)等任务也需要强大的能源支持。
商业航天的网络体系结构以“卫星-地面-用户”三层构建为核心，具备强覆盖、高并发、快速部署的能力。以 Starlink 系统为例，其通过星间激光链路连接全球卫星节点，以卫星主站与用户终端协同完成数据收发，构建全球互联网补充与延伸网络。其典型应用场景包括偏远地区互联网覆盖、船舶与飞机通信、无人机与应急指挥、跨境交易与军事通信等，是商业航天落地的典型场景案例。
图：Starlink接入互联网方式
参考来源：《SpaceX模式对电信运营商的挑战》
SpaceX以Starlink项目重构全球通信格局，其前沿实践代表了目前商业航天工业化能力的最高水准。SpaceX已具备低轨星座高效部署能力，成为该领域的全球领先企业。该公司目前已累计发射超过8000颗卫星，发射次数占全球总数近一半，发射量占全球总量近70%。2024年，SpaceX的产能已达到每周生产5000 个用户终端，每月生产120颗卫星，平均9天发射一次。依托卫星批量化制造能力，Starlink得以保持在轨卫星规模，不仅具备全球网络覆盖能力，也实现了网络快速连接。
空间环境对太阳能电池的特殊要求
空间光伏组件需满足以下要求：(1)能耐受恶劣的空间环境;(2)重量轻;(3)高功率转换效率(Power Conversion Efficiency，PCE);(4)高比功率(Specific Power)。恶劣的空间环境包括大温差(±120℃)、高真空(10–4~10–7 Pa)、紫外线辐射、原子氧(AO)(通量 1013~1015 AO/(cm2·s)、能量为5 eV)、等离子体(电子密度106/cm3、电子温度≤1 eV)和电子、质子、微流星体的电离辐射速度(60 km/s)、X射线和轨道碎片(10 km/s) 等，如下图所示。为了确保太阳能电池在太空中的可靠性和寿命，必须通过不断改进技术来克服这些挑战。
图：近地空间大气成分
参考来源：《钙钛矿太阳能电池在空间环境中的应用》
目前全球航天工业中,砷化镓电池仍是商业航天器能源供应的主体，虽具有转换效率高、抗辐照强、可靠性优等优势，但高昂的成本正逐步暴露出其在商业航天应用中的瓶颈。全球砷化镓太阳能电池市场从 2018 年的 2.13 亿美元增长至 2023 年的 4.07 亿美元,复合年增长率为 13.8%，但其主要市场仍集中于军用与高端航天，商业化渗透率较低。原因在于砷化镓原材料价格昂贵，单位功率成本高达上千元人民币/W，导致成本占比远高于结构、通信等子系统，严重影响整星经济性。
研究显示，目前常用的 InGaP/GaAs/Ge 三结电池比功率仅为 0.4 W/g，且在接受高能质子照射后，性能下降约 25%，难以满足未来多任务、多环境的商业航天需求。重量方面，传统砷化镓电池厚度通常超过 100μm，导致比功率低，发射成本显著增加。随着以美国为首的航天工业发展和技术更新,专用于商业化的低成本航天器太阳电池更适合商业航天的发展，《低成本钙钛矿复合叠层太阳电池技术助力商业航天产业发展》(王顺等)预测在未来几年内，砷化镓电池的市场增速将会明显下降。
钙钛矿材料在空间环境中的应用
钙钛矿电池(PSCs)的主要缺陷是暴露在热、湿气、氧气下会发生快速降解，因为钙钛矿是盐类，在制造过程中或制造过程之后接触到水分子时容易降解，在潮湿的环境中仅仅几个小时就可能导致器件完全失效，所以钙钛矿面临的最大挑战之一是水分子引起的降解。然而，有研究发现将PSCs封装在DOWSIL 93-500 透明空间级硅胶密封胶中，并将其放置于超过880 h的湿热环境(30°C±5°C和95%相对湿度)下，封装样品的化学计量未发生任何可检测的变化。太空环境缺乏分子氧和水汽，因此这两个不利因素自然消除，即如果能在太空中开展PSCs的制造和使用，可完全避免上述两种地球上的主要降解机制，并消除对任何后续大量封装的需求。
除此之外，钙钛矿晶体对缺陷表现出极高的耐受性。光电材料的性能通常受其缺陷性质的影响，尤其是本征点缺陷的影响。半导体的掺杂极限、载流子寿命、载流子迁移率和复合速率都受到缺陷的重要影响。钙钛矿中的缺陷能级是在价带或导带内形成的，而非在带隙中形成，因此不会导致非辐射复合。初步报告表明，钙钛矿太阳能电池具有独特的耐辐射性，优于目前在太空中使用的基于硅和III-V族半导体的传统光伏技术。因此，PSCs有望成为空间光伏的优选材料。
各国航天机构的相关研究
中国的航天机构、美国航空航天局(NASA)和欧空局(ESA)都对太空资源的原位利用充满兴趣，尤其是太阳能电池组件的在轨服务、组装和制造。比利时的Cardinaletti等将几种不同的PSCs组件安装到35000 m3的平流层气球中，发现其性能有了明显的下降，PSCs表面出现了分解现象。但是在第13次(2019年)、第15次(2021年)材料国际空间站实验任务(MISSE-13、MISSE-15)中，NASA将钙钛矿太阳能电池安装在国际空间站(ISS)飞行平台的天顶位置，并以与国际空间站相同的轨道周期(90 min)分别暴露在太空环境中10个月和6个月，发现样品表现出优异的稳定性。
2023年俄克拉荷马州立大学获得了NASA的75万美元资助，开发了适用于航天的钙钛矿太阳能电池制造工艺。德国研究人员REB等将钙钛矿太阳能电池通过火箭送入太空，发现该太阳能电池经受住了太空中极端条件的考验，能够通过阳光直射和地球表面的反射光产生能量。2024年3月5日，澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)宣布，其开发的先进印刷柔性钙钛矿太阳能电池在美国太空探索技术公司(Space X)的第十次拼单发射任务中成功发射至太空，并进行了绕地轨道运行测试。而俄罗斯将在2024—2026年间开展总融资额约为3亿卢布(超过330万美元)的新材料和塑料基钙钛矿组件以及电池的制造，研发能够在宇宙辐射条件下运行、具有高效率并可在太空工作至少 20 年的太阳能电池板。
2023年12月，随着朱雀二号遥三运载火箭成功发射升空，其搭载鸿擎科技自主研制的鸿鹄二号卫星被顺利送入预定轨道，标志着由协鑫集团、鸿擎科技联合开展的全球首次钙钛矿组件空间搭载试验正式启动。2024年5月，中国的光因科技也把钙钛矿太阳能电池送上外太空，进行严酷条件下的性能和稳定性实验。2024年11月，力箭一号遥五运载火箭在东风商业航天创新试验区点火升空，成功将天雁24星送入预定轨道。该卫星搭载了伏曦炘空的钙钛矿太阳电池产品，通过在轨运行，借助专业设备与技术，精准监控电池电性能，为相关技术研究及应用提供关键数据。
图：应用于国际空间站的钙钛矿电池
参考来源：《钙钛矿太阳能电池在空间环境中的应用》
未来，钙钛矿光伏技术能否完全替代传统砷化镓电池?其在极端太空环境中的长期表现如何?这些问题仍需更多在轨实验和数据验证。但可以确定的是，这一创新技术正在为太空能源领域带来新的可能性，其发展值得持续关注。
2025钙钛矿电池应用与产业化(大湾区)论坛将于7月10-11日在广东深圳召开。会议将探讨光伏行业展望与钙钛矿和叠层电池产业前景，大面积工业化钙钛矿和叠层电池材料体系、制造工艺与核心设备，柔性钙钛矿在可穿戴设备、消费电子领域的集成方案，钙钛矿在BIPV建筑光伏一体化创新应用，新能源汽车光伏车顶及移动能源解决方案，钙钛矿和叠层电池转换效率、稳定性与良率提升，钙钛矿光伏电站实证研究与可靠性分析等。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/25/390695.html
