中科院团队研制“空间”有机太阳电池，具备空间应用的潜力

“中科院是目前世界上少数掌握临近空间 35km 太阳电池高空原位标定技术的研究机构之一，后续我们计划每年将会进行 1-2 次太阳电池高空原位标定飞行试验，特别是加强对新型太阳电池的原位标定和评测，获得更多电池的空间原位标定数据，为中国新型空间用电池研发和迭代做点力所能及的事情。”中科院空天院研究员徐国宁表示。

图 | 中科院空天院研究员/博士生导师徐国宁（来源：徐国宁）

前不久，他和合作者研究出一款可用于空间领域的新型有机太阳电池，它不仅是柔性的，而且具备较高的功率重量比。

利用太阳电池高空原位标定平台，研究团队在临近空间 35km 高度进行了长时间实时原位标定飞行和测量，以此来评测太阳电池在空间环境里的性能、适应性和可靠性，并研究了临近空间极端环境下温度、气压和光照等因素对于太阳电池性能的影响。

（来源：National Science Review）

日前，相关论文以《35km 平流层环境下柔性聚合物太阳电池的原位性能和稳定性试验》（In situperformance and stability tests of large-area flexible polymer solar cells in the 35-km stratospheric environment）为题发在 National Science Review[1] 上，徐子涵是第一作者，徐国宁研究员，苏州纳米所马昌期研究员和骆群研究员，以及国家纳米科学中心魏志祥研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：National Science Review）

近年来，人类加强了对于空间的探索和利用，特别是中国按下了空间探索和科技创新的加速键，不仅大大拓展了人类对宇宙的认知，也推动了空间技术的发展。

在人类认知宇宙和发展空间技术的过程中，空间飞行器是一项重要工具和载体。对于空间飞行器来说，太阳能是其主要的能量来源，一般通过太阳电池把太阳能转化为电能加以利用。现有的绝大部分空间飞行器，太阳电池采用高效三结砷化镓体系，优点是效率高、寿命长、稳定性好和抗辐照性好，但缺点也非常明显，一是制造成本非常高，二是封装结构和体积偏大。

随着商业航天技术的发展和临近空间飞行器的发展，飞行器对成本、重量等因素变得越来越敏感，这也倒逼太阳电池朝着低成本、低重量、柔性化的方向发展。

有机太阳电池，是一类以塑料为基底的薄膜电池，其功能层的整体厚度为几百纳米。因此，它的重量比功率要远远高于传统的硅基太阳电池和化合物半导体类太阳电池。

近年来，有机太阳电池的效率已经得到快速提升，并展示出广阔的空间应用前景。但是，针对柔性有机太阳电池在空间里的性能测试少之又少。

此前，公开可查的研究仅有两项：

2018 年，一支比利时科研团队利用高空气球，测试了有机太阳电池在 35km 高空的性能，然而其效率非常低。

2020 年，一支德国科研团队利用火箭搭载的方式，测试了有机太阳电池 240km 高空条件下的电池性能，然而测试时间仅有 7 分钟。

为何这方面研究如此至少？原因主要有二：一是柔性有机太阳电池本身的可靠性和稳定性还不够好，在空间极端环境下的稳定性更差；二是空间原位实验的开展难度比较大，尤其是原位测试需要专门的飞行设备、小型化光伏性能测试设备、多通道高精度系统控制设备等。可以说，一次原位实验基本就是一项复杂的系统性空间飞行试验。

基于此，针对柔性有机太阳电池在空间极端环境下的可靠性和稳定性，徐国宁携手合作者组成一支柔性有机太阳电池空间应用评测研究团队，开展了本次课题。

（来源：National Science Review）

据介绍，太阳电池的研制主要在徐国宁的合作者那里完成，由中科院苏州纳米所马昌期研究员团队、以及国家纳米中心魏志祥研究员团队负责。完成研制之后，则要进入地面模拟实验阶段。期间，徐国宁和合作者针对临近空间环境中的特点，从太阳电池的结构、材料等入手，进行了多个方案的并行尝试，借此获得了稳定的器件结构。

并在此基础之上，徐国宁研究团队搭建一款空间原位测试装置，以便监测柔性电池在高低温冲击环境下的可靠性，以及在低温和高温环境长时间光照之下的可靠性。

空间原位标定飞行实验，则由徐国宁团队牵头完成。在飞行实验之前，一方面他们要对太阳电池进行安装、地面测试，以及确保电信号的采集。同时，也要对标定装置上的数据采集系统进行校准和测试，以确保能够准确、有效地获取飞行实验时的地面高度和温度等环境信息。

另外，还要对天气、太阳运行轨迹、高空风速等基本环境条件进行监测，以用于规划和控制飞行器的飞行路线。

在飞行阶段，太阳电池的测试数据会被实时保存到标定装置里，从而实现数据的原位采集，另外还能够实时传输到地面，根据这些数据，就能判断太阳电池在飞行中对于太阳的跟踪情况和对准情况。一旦太阳电池偏离太阳直射，跟踪装置重新寻找位置，并调整太阳电池面向太阳的角度。

（来源：National Science Review）

早在 2015 年，徐国宁所在的中科院空天信息创新研究院就着手开展太阳电池高空原位标定试验的研究，所研制的高空标定装置从功能和性能上逐步完善，飞行高度、测试精度、跟踪精度和标定电池片数量等关键参数也在逐年提高，期间也发生了许多难忘的事情。

新型太阳电池的设计和制备工艺较为复杂，很难造出标准化的样品，不同单位所采取的工艺和连接方式也各不相同。而外场试验条件非常有限，这就意味着一旦电池片在现场损坏，很难对其进行维修。

有一年在飞行试验之前，部分电池片在外场安装集成之前，出现了太阳电池引线故障，现场人员试图开展紧急维修，但是由于现场条件有限，以及电池片引线材料的特殊性，未能对其进行全部修复。这时，部分电池片的本体也出现了损坏。

由于时间紧迫而且现场没有备用器件，徐国宁只能联系合作单位重新准备样片，并对引线材料进行替换。为此，合作单位连夜运送材料，克服疫情影响导致的快递停运、交通受阻等重重困难，终于在飞行试验前送达，让新样片赶上了飞行试验。

浮空器飞行试验也是一项大挑战。在飞行规划和飞行控制中，需要综合考虑多种因素，比如要满足飞行标定试验对于平飞时间的要求、要考虑平台和设备对于升降速度的限制、以及充分考虑标定装置降落地点的回收难度等。因此，只有妥善地综合分析之后，才能确定飞行的控制策略。

在一次飞行试验中，为了尽量延长平飞时间以便采集更多数据，吊舱切割的持续时间比较长，同时为了避免飞出空域、以及吊舱落在雪山上难以回收等问题，现场控制人员提高了下落速度，这导致落地冲击超过了设计值，造成标定装置有一定程度的损坏。

不过，也正是从这一次试验中，他们吸取教训并对标定系统继续改进，借此提高了当吊舱实际速度超过设定降速时，对标定装置的保护能力。同时，也改进了对日跟踪效率和数据采集速度和精度。

柔性太阳电池的固定和连接也是一件难事。当前，柔性有机太阳电池在学术界的研究和发展非常快速，但是要向走出实验室、面向实际应用去开展可靠性测试，依旧存在不少技术难题和工艺问题。在本次论文的研究中，尽管徐国宁等人花费大量时间提高柔性电池的可靠性，但是临近飞行之时，还是遇到了电池测试连接的问题。

他说：“这即在预料之中也在预料之外。预料之中的是，我们在项目前期已经意识到，当面临飞行中快速升降的工况时，需要样品与测试装置之间实现稳固连接，所以在课题研究之中我们已经充分照顾了这一问题。预料之外的是，即便已经在实验室做过抗冲击测试，但是在飞行前一天当进行样品安装和信号测试时，还是出现了信号无法采集的故障。”

好在合作者骆群博士也在试验现场，这让他们得以在临飞前一天顺利完成故障排查和调整，最终实现了高空测试信号的原位采集。

本次工作的成功开展、以及论文的顺利发表，也证明了高效率柔性有机太阳电池在空间的应用潜力，同时也证明了空间太阳电池性能标定装置的可靠性，至今中科院空天院已成功开展 5 次空间原位标定飞行试验。

徐国宁说：“太阳电池高空原位标定系统，涉及的学科非常广泛，是一个由飞行器、电气、机械、材料、能源、控制、自动化等多个学科交叉和融合的综合系统，并不是我一个人的功劳，是中科院空天院十部研究团队多年来的积累和研究成果，也是在中科院“鸿鹄专项”长期支持下的结果。另外作为中国科学院大学的一名博士生导师，有为我国成为创新型国家培养科技领军人才的责任，我们在航空宇航学院发扬中科院‘以任务带学科’的传统培养了多名优秀毕业生，多个硕士和博士研究生也全程参与了研发和飞行试验。

其中培养的一名博士和两名硕士毕业后均到国家航空航天单位工作，继续为国家航空航天事业做贡献。我们和合作单位都积累了更多的经验，所以我们更有信心推进柔性太阳电池在空间长时间运行的性能验证。”

因此，他们将继续根据本次柔性有机太阳电池飞行标定的试验数据，来对太阳电池进行性能提高。后续，其计划开展时间更长的原位测试，以便验证柔性电池在空间中长时工作的可靠性。

随着工艺的不断成熟，柔性有机太阳电池的批量制备成本、卷对卷印刷制造的成本都会大幅下降，届时非常有希望在临近空间飞行器上实现大面积应用。除此之外，轻质高效的柔性有机太阳电池，还在可穿戴、光伏建筑一体化、光伏农业等方面具有良好的应用前景。

另外，徐国宁的信心也来源于中国太阳电池的整体发展现状和前景，中国已成为全球最大的太阳电池生产国和技术引领者，太阳电池技术的迭代史，是一部“长江后浪推前浪”“创新-淘汰-升级-再创新”的不断循环的历史，在国家“双碳”目标下，中国太阳电池产业景气度持续，太阳电池变革和科技创新进入加速阶段。

尤其在钙钛矿和有机太阳电池等新型电池领域，中国科学家不断取得突破，而该类电池有望作为高价砷化镓电池体系的补充在空间进行应用。而空间光谱与地面光谱存在较大的不同，地面标定又具有较大的不确定度，因此在应用之前就需要使用太阳电池高空原位标定技术，来对电池进行精确标定和测量。

相比高山标定法、卫星标定法、飞机标定法和火箭标定法，太阳电池高空气球原位标定法具有更便捷、周期短、成本低和可回收等优点。因此，该类电池通过多次标定试验及改进，后续在空间的应用前景，非常值得期待。

参考资料：

1.Xu, Z., Xu, G., Luo, Q., Han, Y., Tang, Y., Miao, Y., ... & Ma, C. Q. (2023). In situ performance and stability tests of large-area flexible polymer solar cells in the 35-km stratospheric environment.National Science Review, 10(4), nwac285.