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(jī)器人探險(xiǎn)隊(duì)的到來(lái)，觀(guān)察太空世界的目光現(xiàn)在可能會(huì)聚焦在火星上，但今年晚些時(shí)候，美國(guó)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(zhǎng)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(duì)外太陽(yáng)系的探索都依賴(lài)昂貴的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)，比如Voyager號(hào)和New Horizons號(hào)探測(cè)器。相反，露西攜帶了一對(duì)太陽(yáng)能電池板陣列。它們像巨大的手扇一樣展開(kāi)，每個(gè)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(yáng)能電池板都離太陽(yáng)更遠(yuǎn) —— 之前的記錄是朱諾號(hào)（Juno），它目前在木衛(wèi)二軌道上。

露西的航天器結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人Katie Oakman說(shuō)，目前的“極端電力需求”是“太陽(yáng)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(zhuān)注于開(kāi)發(fā)用于地球的太陽(yáng)能的研究。雖然廉價(jià)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(yáng)能必須依賴(lài)其他類(lèi)型的太陽(yáng)能電池板。這意味著天基太陽(yáng)能電池板在極度寒冷和高溫之間面臨著劇烈的溫度波動(dòng)。而且這種陽(yáng)光是不同的：例如，它的紫外線(xiàn)比我們?cè)诘孛嫔峡吹降囊唷?/p>

太空中還有另一種危險(xiǎn)：電離輻射。地球軌道上的太陽(yáng)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(yáng)能電池板可能需要經(jīng)受住太陽(yáng)風(fēng)的考驗(yàn)。隨著時(shí)間的推移，這種輻射會(huì)侵蝕太陽(yáng)能電池的效率。一個(gè)太陽(yáng)能電池在地球同步軌道上運(yùn)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(jì)師很快就開(kāi)始研究所謂的多結(jié)（MJ）III-V太陽(yáng)能電池，這種電池由多層材料制成，每層材料吸收不同波長(zhǎng)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(yáng)能電池已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間了，”位于丹佛郊外科羅拉多州戈?duì)柕鞘械膰?guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的科學(xué)家Ryan France說(shuō)。

NREL在過(guò)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(hào)稱(chēng)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(yáng)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(gè)經(jīng)濟(jì)障礙：硅光伏電池的低成本和壓倒性的市場(chǎng)支配地位，加在一起，使MJ電池商業(yè)化成為一場(chǎng)斗爭(zhēng)。自1980年以來(lái)，硅電池價(jià)格下跌了60倍，這種下跌幾乎沒(méi)有停止的跡象。

到目前為止，MJ電池主要用于聚光太陽(yáng)能，利用鏡子或透鏡將太陽(yáng)光聚焦并增強(qiáng)到太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)室之外，它還無(wú)法與廉價(jià)的硅競(jìng)爭(zhēng)。

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?！拔覀?cè)绞墙档统杀?，”France表示，“我們就可能擁有更多的市場(chǎng)。”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(yáng)能電池?zé)o疑將反過(guò)來(lái)有利于空間應(yīng)用。Oakman認(rèn)為，像露西這樣展開(kāi)的太陽(yáng)能電池板在人類(lèi)的未來(lái)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(yáng)系發(fā)射宇宙飛船，”她說(shuō)，“那么我認(rèn)為未來(lái)有各種各樣的機(jī)會(huì)使用這種設(shè)計(jì)。”

編輯：jq