Photo： Dennis Schroeder/NRELScientists prepare their new 6-junction solar cell for testing on the T-HIPSS tool in the Solar Energy Research Facility （SERF）。

隨著新一批機器人探險隊的到來，觀察太空世界的目光現(xiàn)在可能會聚焦在火星上，但今年晚些時候，美國宇航局（NASA）雄心勃勃的 “露西（Lucy） ”任務(wù)將搶走一些風(fēng)頭。10月16日，露西發(fā)射升空，執(zhí)行了長達(dá)10多年的任務(wù)，她將前往特洛伊群島，即木星軌道上的遙遠(yuǎn)小行星。

以前大多數(shù)對外太陽系的探索都依賴昂貴的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機，比如Voyager號和New Horizons號探測器。相反，露西攜帶了一對太陽能電池板陣列。它們像巨大的手扇一樣展開，每個陣列直徑6米（20英尺）。超越木星軌道將使露西比以往任何一塊太陽能電池板都離太陽更遠(yuǎn) —— 之前的記錄是朱諾號（Juno），它目前在木衛(wèi)二軌道上。

露西的航天器結(jié)構(gòu)和機構(gòu)負(fù)責(zé)人Katie Oakman說，目前的“極端電力需求”是“太陽能電池板如此巨大和驚人的原因的關(guān)鍵所在”。

這就意味著要把光體積研究從不同的方向推進(jìn)到專注于開發(fā)用于地球的太陽能的研究。雖然廉價的硅光伏電池為地球的清潔能源轉(zhuǎn)型提供了燃料，但太空太陽能必須依賴其他類型的太陽能電池板。這意味著天基太陽能電池板在極度寒冷和高溫之間面臨著劇烈的溫度波動。而且這種陽光是不同的：例如，它的紫外線比我們在地面上看到的要多。

太空中還有另一種危險：電離輻射。地球軌道上的太陽能電池板可能面臨范艾倫帶（Van Allen belts）的漩渦，而其他地方的太陽能電池板可能需要經(jīng)受住太陽風(fēng)的考驗。隨著時間的推移，這種輻射會侵蝕太陽能電池的效率。一個太陽能電池在地球同步軌道上運行15年，大約36000公里（22000英里）高，其有效性將下降到80%左右。

20世紀(jì)50年代和60年代的早期衛(wèi)星使用硅光伏電池。但設(shè)計師很快就開始研究所謂的多結(jié)（MJ）III-V太陽能電池，這種電池由多層材料制成，每層材料吸收不同波長的光。MJ電池的效率更高，在太空的非地球條件下更有彈性，而且更輕。

“由于這些原因，航天工業(yè)使用III-V太陽能電池已經(jīng)有相當(dāng)長的一段時間了，”位于丹佛郊外科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的科學(xué)家Ryan France說。

NREL在過去幾十年里率先推出了MJ III-V電池，最近，研究人員將MJ電池推向了號稱效率達(dá)到50%的里程碑。大多數(shù)MJ電池由三層組成，但在2020年，NREL的研究人員提出了一種六結(jié)電池，在集中的陽光下效率達(dá)到47%，優(yōu)于硅光伏電池。

Bringing it Back to Earth

然而，在地球上，MJ電池面臨著一個經(jīng)濟障礙：硅光伏電池的低成本和壓倒性的市場支配地位，加在一起，使MJ電池商業(yè)化成為一場斗爭。自1980年以來，硅電池價格下跌了60倍，這種下跌幾乎沒有停止的跡象。

到目前為止，MJ電池主要用于聚光太陽能，利用鏡子或透鏡將太陽光聚焦并增強到太陽能電池板上。這產(chǎn)生了令人印象深刻的效率數(shù)據(jù)，但在實驗室之外，它還無法與廉價的硅競爭。

但是NREL的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)把他們的注意力從50%的性能指標(biāo)上轉(zhuǎn)移到降低MJ電池的成本上。“我們越是降低成本，”France表示，“我們就可能擁有更多的市場。”他們希望為MJ電池可以獲得新的應(yīng)用鋪平道路，盡管目前還不清楚這些應(yīng)用可能是什么。

但更便宜的太陽能電池?zé)o疑將反過來有利于空間應(yīng)用。Oakman認(rèn)為，像露西這樣展開的太陽能電池板在人類的未來也有一席之地，尤其是在木星附近，那里的溫度和光照水平比地球附近要低得多。

“如果我們想繼續(xù)向外太陽系發(fā)射宇宙飛船，”她說，“那么我認(rèn)為未來有各種各樣的機會使用這種設(shè)計。”

編輯：jq