太空光伏——人类在轨道上的能源密码

极端环境下的能源守则

太空光伏不是地面技术的简单搬运，而是一套专为宇宙极端环境量身打造的能源系统。在外太空，航天器面临着多重考验：真空环境下无法进行空气散热，轨道温差在 -180°C 到 +120°C 之间剧烈起伏，且高能宇宙射线会不断轰击材料造成损伤。与此同时，受限于目前的航天技术，航天器一旦发射升空，几乎无法进行任何维修。因此，太空光伏的核心追求，从来不是“每度电多少钱”，而是“每公斤能发多少瓦”——这个指标叫“比功率”。毕竟，当前把一公斤载荷送入低地球轨道的成本仍高达2700美元以上，轻一点，就意味着省下真金白银。

太阳能板，也能“卷起来”上天？

那么，这些太阳能板是怎么“装”到卫星或空间站上的？早期任务多用刚性铝框加玻璃盖板，结构稳固，但又重又占地方。如今，越来越多卫星采用像卷尺一样的柔性阵列——发射时紧紧卷起，入轨后自动展开。SpaceX的Starlink卫星就用这种设计，体积缩小四分之三，重量减轻两成。而面向未来的月球基地，科学家甚至设想用“太阳能帆”——超薄薄膜卷成一卷送上月球，再像帐篷一样撑开，覆盖上百平方米。这类部署方式对电池提出了全新要求：必须超轻、可弯折、能卷曲。

目前主流的太空光伏部署方式有三类

砷化镓很强大，但也有“天花板”

过去几十年，太空光伏的主力是砷化镓多结电池。它效率高（30%以上）、寿命长（15年不衰太多），支撑了哈勃望远镜、火星车等重大任务。但它也有难以回避的短板：制造依赖昂贵的外延工艺，成本高达每瓦500到1000美元；而且本征脆性大，必须依附刚性基板，很难适配柔性展开结构。当人类开始规划数万颗卫星的巨型星座，或在月球建立长期基地时，砷化镓就显得有些力不从心了。

钙钛矿正通过PVD和狭缝涂布走向轨道

于是，工程师们开始寻找新可能。近年来，一种叫“钙钛矿”的材料悄然进入视野。它最初在2009年亮相时效率还不到4%，但短短十余年间，实验室效率已突破26%，叠层器件甚至逼近34%。更关键的是，它可通过物理气相沉积（PVD）制备高稳定性无机钙钛矿，或采用狭缝涂布实现大面积均匀成膜，直接集成在柔韧的聚酰亚胺基底上，厚度不足50微米。这意味着，它天然适配卷轴式或可展开的太阳能阵列，且具备向航天级制造过渡的工艺基础。

钙钛矿狭缝涂布设备

有人或许会问：这种在地球上还在提升长期稳定性的材料，真能上天吗？2022年，德国宇航中心（DLR）将钙钛矿样品送入国际空间站，在MISSE平台暴露于真实空间环境；2024年，NASA与Swift Solar公司合作开发钙钛矿/砷化镓叠层电池，目标效率超35%，用于阿尔忒弥斯月球任务；中国也在“天都一号”探月计划中安排了柔性钙钛矿组件的在轨验证。初步数据显示，在1000 krad电子辐照后，经氟化钝化的钙钛矿仍能保持80%以上效率——这一水平已接近部分短期任务的可靠性门槛。

钙钛矿不是万能药，但可能是“对症药”

目前，钙钛矿在太空的应用仍处于TRL 4–5阶段（组件级环境验证），距离大规模部署还有距离。但它的价值在于提供了一条高比功率、低成本、柔性兼容的技术路径。对于寿命5年以内的低轨星座、月面临时电源或深空探测器而言，它可能是比传统方案更具性价比的选择。更重要的是，它打开了“材料-结构-任务”协同设计的新思路：不再让任务迁就能源，而是让能源主动适配任务。