NASA把钙钛矿送上了空间站

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一、导读

如果回想近十几年来材料领域极为热门的研究方向，卤化物钙钛矿可谓当仁不让，当然，同期的明星材料也有不少，例如，以石墨烯为代表的二维家族。不过，由于卤化物钙钛矿家族在太阳能电池系统中的突飞猛进，使其具有了更大的“带货能力”，几乎同光、电有关的应用领域都能见到它的身影。当然，其真正的大本营依旧是太阳能领域，确实，历史上几乎很少有类似的材料家族能在十多年发展里实现太阳能效率的飞速增长。不过，一般而言，活性越强的材料往往都不可避免的遭遇稳定性魔咒，水汽、氧气是摆在其实现真正意义上的商业化所必须直面的惨淡。尽管目前已经有不少商业孵化公司宣称实现了所谓的规模级量产，但在科学上，钙钛矿太阳能器件距离实际使用寿命达到20年的商业化标准仍很远。

那么，既然钙钛矿材料怕水氧，而这又是地球上最基本和常见的使用场景，何不将其“逃离地球”，说不定在地外系统中能发挥其真正的高效能。近些年来，国外已经开始在这一领域进行布局，例如，美国国家航空航天局（NASA）最新的太空计划中已将钙钛矿作为太阳能电池的重要候选材料，并已经实现了几次太空测试。

二、太空如何供电？

太空是人类探索地外空间奥秘，揭示宇宙起源以及破解基础科学问题的策源地，因而，走向近地空间、地月系统，甚至是超越太阳系都是未来必经之路。这其中最重要的探测工具就是各种卫星和着陆器，不过，太空没有插座，也没加油站，俗话说，人是铁饭是钢，航空器也得“吃饭”，加油看起来不太现实，电能就成了必需品。航空器各系统以及载人必须的生命支持系统的持续运行都离不开电能，幸运的是，我们拥有太阳这个能量源泉，因此，太阳能电池板几乎成了航空器的标配，而且很多时候，当我们想到或者看到航空器时，令人印象深刻的似乎总是那“硕大”的太阳能帆板。

例如， 2015年11月，美国宇航员Scott Kelly在国际空间站进行舱外活动时拍下了图1这张照片，国际空间站的大小与其八个35米长的太阳能电池阵列帆板相比相形见绌，其中，每个帆板包含大约 33000个太阳能电池，转换效率约为14%。显然，国际空间站采用的太阳能技术已经过时，不过，NASA一直持续进行太空太阳能电池的创新。早在1989年，NASA同PowerFilm公司的前身Iowa Thin Film Technologies公司合作，研发了一种将薄如纸张的太阳能电池集成到可卷起来储存的柔性基板上的方法，并且实现了90%的太阳能转换效率。

图1美国宇航员Scott Kelly在国际空间站外工作credit: NASA

当然，如果航空器的飞行任务远离太阳，就需要考虑阳光衰减的问题，比如，一块 1 m²的太阳能电池板可以在地球附近产生约 400 W的功率，必须将其放大 2000 倍才能在冥王星附近产生相同的功率 。

然而，除了效率和体积的问题，还有尘埃，2.8克的尘埃就能使太阳能电池板的效率降低约40%，因此，NASA后续开发了防污涂层，即采用一种薄且透明的导电层。当嵌入式传感器检测到积聚的灰尘时，会通过涂层发送级联电荷，采用电磁波将灰尘推开。

位于美国克利夫兰的NASA 格伦研究中心的主要任务就是研发空间太阳能技术。那里的实验室里拥有可容纳一辆汽车的超大真空腔，从而可以模拟太空环境，用于测试太阳能电池板的性能。此外，该中心还拥有用于设计不同化学成分半导体材料的计算系统，仅仅需要在复杂的计算程序上调控几个参数，就能得到各种不同化学元素组合形成的材料，例如，砷化镓或磷化铟。随后，研究者采用金属有机气相外延技术制备空间太阳能电池的活性成分。

如果想了解特定的电池在太空中的性能，可以将其连接到克利夫兰霍普金斯机场格伦机库中的一架高空飞机上，将其飞到大气层稀薄的云层上方，进行测量并推测其在太空中的有效性。然后将使用太阳模拟器完成后续实验，该实验室的太阳模拟器用于重现太空中看到的光，它由一个暗室和一组强光源组成。

三、太空使用何种太阳能电池？

目前为止，常用的太空太阳能电池有两种：

第一种是国际空间站采用的硅电池阵列。

NASA 及其合作伙伴开发了一种将太阳能电池阵列安装在“毯子”上的方法。毯子可以像手风琴一样折叠起来运送到太空，进入轨道后，地面发送指令将毯子展开到全尺寸。万向节用于旋转阵列，使它们面向太阳，为空间站提供最大功率。

太阳能电池板的设计使用寿命为 15 年，自2000年12月部署第一对太阳能电池板以来一直在持续运行，并于 2006 年 9 月、2007 年 6 月和2009 年 3 月交付了更多的电池板。第一对太阳能电池板现已为空间站提供持续电力20 多年，随着运行时间的延长，性能衰减不可避免，为了确保NASA 未来执行 Artemis（阿尔忒弥斯）及其他计划可以维持充足的电力供应，NASA 为空间站的八个现有电源通道中的六个增加了新的太阳能电池阵列（图2）。波音及其子公司 Spectrolab 和主要供应商Deployable Space Systems (DSS) 将提供新的阵列，新的太阳能电池阵列将位于现有阵列中的六个之前，并将使用现有的太阳跟踪、配电和通道化模块。这种方法类似于使用现有的电源和控制机制将空间站的外部电视摄像机升级到高清的方法。【来源：NASA】

图2国际空间站计划配置的新太阳能电池阵列credit: Boeing

从2021年开始，当第二对当前的阵列达到其设计寿命的第15 年时，太阳能电池阵列将在 SpaceX 龙货运飞船的无压后备箱中的三个补给任务期间成对运送到国际空间站。每个太阳能电池板的安装将需要两次太空行走。【来源：NASA】

第二种是由砷化镓和类似材料制成的多结电池，它们比硅更能抵抗降解，是目前制造的最高效的电池，转换效率可达34%。当今太空中常见的是三结电池，NASA目前正在开发四和六结电池。

根据NASA的研究报告，美国早在1991年就进行了太空中砷化镓太阳能电池的抗辐照测试，研究表明：用10 MeV质子或1 MeV电子辐照来自3个不同制造商的砷化镓太阳能电池，均显示出比硅太阳能电池高36%-56%的面功率密度优势，显然，其抗辐照性优异。

然而，根据一些公开的媒体报道，似乎NASA并没有在国际空间站采用砷化镓作为电池材料，而是采用硅薄膜电池。不过，NASA并未放弃相关的科学实验，例如，2018年，NASA就将Alta Devices公司研发的相关太阳能电池送上太空进行了相关测试。那么，为何没有采用大规模的砷化镓电池阵列来进行国际空间站的太阳能电池更新，是成本还是技术问题？

不过，我国正在建设的天宫空间站采用了这项技术，据公开报道，我国采用的太阳能电池是使用第三代柔性太阳能电池阵列技术生产的，例如，问天实验舱采用的是柔性的三结砷化镓太阳能电池。不过，此前的神舟飞船采用的是第一代刚性太阳电池阵技术，天舟货运飞船则采用了第二代半刚性模块化太阳电池阵技术。

根据中国载人航天工程办公室（CMSA）提供的消息，核心舱天和以及实验舱梦天、问天的太阳能电池板将形成一个达400 m²的发电面，发电量超过80 kW，光电转换效率超过30%。不过，其成本也相当可观，据媒体报道，8 cm²造价约为1000元人民币，“天和”核心舱一对134 m²的太阳翼，价值1.675亿，而空间站三舱，仅太阳翼就要8-9个亿。

那么，能否有新一代的太阳能电池材料可以既能高效发电，还比较便宜？

当然了，主角来了——钙钛矿太阳能电池。

四、钙钛矿上天路线图

根据NASA最新的太空太阳能发展计划，目前负责研发钙钛矿太阳能电池的人员由Kaitlyn VanSant和Kyle Crowley两名博士后组成，此外还有协助人员。对于未来的空间任务，NASA对新型太阳能技术的主要目标为：

1）一般需求：提高电池效率，降低成本，减轻重量，提高辐射耐受性；

2）NASA具体需求：

用于具体任务的太阳能电推进的高功率系统（Gateway, Mars Cargo, ISS, Human Landing System）；

月球和火星表面任务所需的电力(火星车、着陆器、发电站、现场特定需求)

包括减少灰尘；

在强辐射和/或强度/温度极限的独特环境下使用。

此外，NASA还专门针对钙钛矿太阳能电池制定了特定目标：

1）目标：用于月球表面任务的基于柔性衬底的大面积（>100 kW）、柔性钙钛矿薄膜太阳能电池阵列；

2）研发策略：开发高效、可制造、和耐用的空间钙钛矿太阳能电池阵列；

3）需求：月球表面动力不同于大多数其他空间动力，即需要非常大的面积并显著降低成本，钙钛矿薄膜可以满足上述要求。

可见，NASA已经制定了钙钛矿上天的路线图，当然，也进行了一些初步测试。北京时间2020年3月7日，SpaceX的猎鹰9火箭将龙飞船送达国际空间站， 为其送去1900多公斤的补给物资，其中就有钙钛矿太阳能电池。如图3所示，MAPbI₃薄膜太阳能电池被安置在国际空间站的实验装置上。

图3左：制备的钙钛矿太阳能电池；右：安装在国际空间站实验装置的MAPbI₃薄膜样品credit: NASA

人类未来要实现在月球，火星等地外天体的永久驻留，就必须建立稳定的供电系统。特别是能实现300-600 V的高压系统的使用，不过，目前尚未在地外实现长时间的高压电源支撑系统。钙钛矿太阳能电池同晶硅、铜铟镓硒（CIGS）等具有良好的匹配性，可以形成稳定的互联系统，有望实现较高的总线电压。

众所周知，钙钛矿太阳能电池最大的弱点是对水、氧 、温度等环境因素的高度敏感，而在太空，这个缺水缺氧的环境恰好使其成为极具优势的新一代空间太阳能电池材料。在2020年举行的第47届IEEE光伏会议上，NASA的研究成果表明：在湿度95%，温度28℃条件下，封装的大面积钙钛矿太阳能电池阵列可以通过AIAA-S111标准的湿度测试，因此，在不存在降解危害又适合空间封装的条件下，钙钛矿太阳能电池具备未来空间应用的可能性。

此外，同地面相比，空间的另一大危害是辐射，这对于很多材料而言是不小的伤害。空间辐射包括离子和非离子辐射，太阳耀斑释放出大量质子、电子、伽射线和动能范围从keV到GeV的x射线。因此，高能离子会对材料的晶格产生损伤，导致一定的缺陷，最终使能带中形成局域态，增加了太阳能电池的复合损失。最近的研究表明，在质子能量为0.05-68 MeV，质子流10¹²p+/cm²条件下，钙钛矿器件还能保持初始性能的90%左右（Energy Environ. Sci., 12, 1634-1647；Joule, 4, 1054-1069.）

回到前述NASA在2020年发射任务中的实验，测试的钙钛矿太阳能电池似乎并没有导致明显的降解（图4），较低的透过率来自较小的光斑尺寸和来自玻璃的内部反射。此外，没有发现PbI₂的吸收边，进一步表明在空间环境下，钙钛矿材料是稳定的。

图4在地球低轨道飞行10个月的MAPbI₃薄膜样品的透射谱（红色）与对比样品（蓝）credit: NASA

热稳定方面，电荷传输材料受到的影响则更为关键，最新的模型研究表明，在月球表面能稳定操作的太阳能电池的耐受范围必须达到-50-75 ℃，这些都需要未来进一步的深入研究

随后，2021年8月，美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员将8个钙钛矿样品送上了国际空间站，并又在2022年继续送上了25个样品（图5）。

图5地面制备的中间相样品即将进行热处理credit: NREL

五、未来

钙钛矿在地球上怕水怕氧很难受，逃离地球立马不怕不怕了，本征性质可以长久保持，期待它为人类筑梦月火贡献大能量。当然，我们最期待的还是我国的天宫空间站建成后，我国自主研发的钙钛矿材料也能在我们自己的空间实验室内接受来自宇宙的辐射，接受来自空间的锤炼，助力我国下一代空间太阳能电池的飞跃！

本文由Free-Writon供稿。