[科普中國(guó)]-重要貢獻(xiàn)！太陽(yáng)電池高空標(biāo)定新突破

近年來(lái)，高效多結(jié)太陽(yáng)電池有了長(zhǎng)足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于空間和臨近空間領(lǐng)域，是各種航天器和臨近空間飛行器的理想一次能源。而太陽(yáng)電池的應(yīng)用，與太陽(yáng)電池空間標(biāo)定技術(shù)是密不可分的。

圖 1 空間衛(wèi)星用太陽(yáng)電池（圖片來(lái)源：http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/aetherlife/space_station_tkz_2.htm）

圖 2 臨近空間飛艇用的太陽(yáng)電池（圖片來(lái)源：https://www.cc362.com/content/Lp720wkzaq.html）

太陽(yáng)電池空間標(biāo)定為什么如此重要呢？

在設(shè)計(jì)空間用太陽(yáng)電池能源系統(tǒng)時(shí)，需要獲得太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光下的精確的性能參數(shù)。特別是對(duì)于探月和探火等深空探測(cè)的飛行器來(lái)說(shuō)，所帶能源系統(tǒng)的重量非常有限，計(jì)算需要非常精確，能源系統(tǒng)容量大了超重，影響和擠占載荷的重量，容量小了則無(wú)法滿足飛行任務(wù)，而精確地計(jì)算則依賴太陽(yáng)電池在光準(zhǔn)光下精確地性能參數(shù)。目前在地面采用光模擬器對(duì)光電池進(jìn)行標(biāo)定的方法不能測(cè)量出太陽(yáng)電池精確的性能參數(shù)。因此需要對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行地球大氣外層或在接近的環(huán)境進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量。

目前由于沒(méi)有成熟完善的多結(jié)太陽(yáng)能電池標(biāo)定手段，我國(guó)研制的新型砷化鎵等多結(jié)電池的性能至今無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，多結(jié)電池的研制和應(yīng)用已經(jīng)受到了影響，迫切需要建立合適的標(biāo)定平臺(tái)，拿到準(zhǔn)確的電池標(biāo)定數(shù)據(jù)。

我們把作為參考的電池在一定的光源狀態(tài)下，確定短路電流或測(cè)試其I-V曲線的過(guò)程叫做標(biāo)定。而利用標(biāo)準(zhǔn)電池的數(shù)據(jù)，去獲得其它電池的數(shù)據(jù)的對(duì)比過(guò)程簡(jiǎn)稱為復(fù)現(xiàn)。

那么對(duì)空間太陽(yáng)電池的標(biāo)定需要什么樣的光源條件呢？

太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)1.5億公里傳輸?shù)竭_(dá)地球大氣圈表面的光譜輻射能量為太陽(yáng)常數(shù)，大約其值為1367 W/m2，因此大氣圈外的太陽(yáng)光譜輻射條件定義為AM0條件。

空間標(biāo)定

衛(wèi)星或飛船上用的太陽(yáng)電池，是在不同軌道上接受陽(yáng)光的輻射，為了確定一個(gè)共同的基礎(chǔ)，引入了AM0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的太陽(yáng)輻照度（不存在大氣衰減的平均日地距離上垂直于陽(yáng)光的平面上的太陽(yáng)光輻照度），即太陽(yáng)常數(shù)的概念?？臻g標(biāo)定就是確定在AM0狀態(tài)下，太陽(yáng)電池的短路電流或I-V曲線。

目前最常用的空間標(biāo)定法包括如下幾種：**衛(wèi)星標(biāo)定、火箭標(biāo)定、氣球標(biāo)定、飛機(jī)標(biāo)定和高山標(biāo)定。**衛(wèi)星標(biāo)定一般都是實(shí)地驗(yàn)證其它標(biāo)定方法的一種手段，而不作為標(biāo)定電池的方法，原因是太陽(yáng)電池不能回收?；鸺龢?biāo)定是飛行高度最高（250km）的一種標(biāo)定方法，飛行高度比氣球高五倍多，這種方法成本高。高山標(biāo)定和飛機(jī)標(biāo)定比較容易實(shí)現(xiàn)，但二者達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的條件，所以不是真實(shí)的AM0環(huán)境，在這種情況下得到的太陽(yáng)電池性能參數(shù)有誤差，需要后續(xù)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，這會(huì)導(dǎo)致其不確定度值增大。

世界各國(guó)宇航部門都非常重視太陽(yáng)電池的空間標(biāo)定工作，例如美國(guó)航宇局的劉易斯航天中心、馬歇爾航天中心、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室， 歐洲空間局的歐洲空間研究與技術(shù)中心和法國(guó)空間技術(shù)中心等, 都根據(jù)自己的技術(shù)特點(diǎn)開(kāi)展了氣球等在AM0條件下太陽(yáng)電池標(biāo)定以及地面實(shí)驗(yàn)標(biāo)定工作。

各種標(biāo)定方法中高空科學(xué)氣球高空標(biāo)定比較常用。99.5%的大氣在35km以下，在這個(gè)高度的上界，沒(méi)有灰塵，沒(méi)有水蒸氣，沒(méi)有主要的臭氧帶，因此這里的太陽(yáng)光（考慮到硅太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為0.35~1.1μm）基本上就是外層空間的太陽(yáng)光，因此35km及以上的高空是標(biāo)定AM0太陽(yáng)電池合適的空間。高空科學(xué)氣球飛行高度可達(dá)20-40km，標(biāo)定的光源狀態(tài)已非常接近理想的AM0狀態(tài)。

圖 3 利用高空科學(xué)氣球進(jìn)行太陽(yáng)電池空間標(biāo)定（圖片來(lái)源：自制）

高空科學(xué)氣球的運(yùn)動(dòng)特性

高空科學(xué)氣球作為太陽(yáng)電池空間標(biāo)定的“道具”，它的運(yùn)動(dòng)特性是影響太陽(yáng)空間標(biāo)定的重要因素之一。高空科學(xué)氣球的飛行高度為20km-40km，在此高度的大氣層為平流層，大氣運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，大氣密度也僅為地面的百分之一左右，所以吊籃將與氣球一起平穩(wěn)地隨著大氣以數(shù)十公里每小時(shí)的速度漂移。高空氣球的吊籃存在繞鉛垂線的轉(zhuǎn)動(dòng)、水平面內(nèi)的擺動(dòng)、及鉛垂方向的振動(dòng)。

吊籃高低兩種頻率擺動(dòng)的振幅在穩(wěn)定狀態(tài)下很小，球體在垂直方向產(chǎn)生加速度，會(huì)導(dǎo)致吊籃鉛垂方向的振動(dòng)，此振動(dòng)的振幅不會(huì)過(guò)大，可忽略不計(jì)。氣球沿鉛垂線的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不是恒定的，它的變化周期為5-10分鐘。根據(jù)以往的高空氣球飛行試驗(yàn)測(cè)到的吊籃轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以得出：吊艙在平飛階段的轉(zhuǎn)動(dòng)可以近似認(rèn)為只受氣球隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)影響，并不疊加上升過(guò)程中自身的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。

以高空氣球?yàn)槠脚_(tái)的太陽(yáng)電池空間標(biāo)定系統(tǒng)需要解決待標(biāo)定電池隨吊艙旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到氣球在高空的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，其主要包括：自旋、上下的振動(dòng)、水平方向的飛行，在上述動(dòng)態(tài)條件下跟蹤系統(tǒng)啟動(dòng)后，跟蹤速度和跟蹤精度沒(méi)有衰減的情況，跟蹤裝置能夠快速跟蹤和對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)位置，這樣我們就讓這些待標(biāo)定的電池片成為了“向日葵”。

圖 4 高空科學(xué)氣球載太陽(yáng)電池標(biāo)定系統(tǒng)（圖片來(lái)源：自制）

將被測(cè)電池處于35km以上的近AM0環(huán)境，并使待測(cè)電池通過(guò)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)垂直太陽(yáng)入射角，那剩下的工作就跟在地面進(jìn)行標(biāo)定沒(méi)什么區(qū)別了。

這種方法已連續(xù)進(jìn)行十幾年，積累了大量的標(biāo)準(zhǔn)電池?cái)?shù)據(jù)。特別是根據(jù)這些標(biāo)定結(jié)果設(shè)計(jì)各種衛(wèi)星的太陽(yáng)電池方陣，其功率與衛(wèi)星實(shí)際飛行結(jié)果符合，所以，各國(guó)公認(rèn)此法標(biāo)定的電池是一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池。標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池

既然提到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池，就不得不介紹一下標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池了。標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池分為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是哪種，它本身都至少有三個(gè)必要的參數(shù)：積分響應(yīng) 或在某一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的短路電流，光譜響應(yīng)Q(λ)和溫度系數(shù)。經(jīng)過(guò)多次標(biāo)定并用其它標(biāo)定法對(duì)比后，標(biāo)定值能很好吻合的一批電池稱為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池都按一定的技術(shù)條件進(jìn)行封裝，并都保存在干燥的環(huán)境中。

二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池按復(fù)現(xiàn)的要求，除在模擬光源下測(cè)過(guò)短路電流外，都進(jìn)行了光譜修正。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池都能嚴(yán)格跟蹤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的精度。

標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)用的標(biāo)準(zhǔn)電池稱為工作標(biāo)準(zhǔn)電池。一般工作標(biāo)準(zhǔn)分好幾類：如不同量輻照度照過(guò)的電池（這又可按照射量分若干檔），多晶硅電池，背場(chǎng)硅電池以及化合物電池等。這些工作標(biāo)準(zhǔn)都按復(fù)現(xiàn)因子進(jìn)行了修正。在使用它們時(shí)，按被測(cè)太陽(yáng)電池類型用各自的工作標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)光強(qiáng)。

工作標(biāo)準(zhǔn)電池經(jīng)常要和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池對(duì)比，而二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池則需要定期到有關(guān)部門進(jìn)行校驗(yàn)。

我國(guó)太陽(yáng)電池標(biāo)定的發(fā)展阻礙

現(xiàn)階段國(guó)外對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，禁止對(duì)中國(guó)提供標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)定工作及提供一級(jí)AM0標(biāo)準(zhǔn)電池片，而且國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有相關(guān)權(quán)威單位能夠提供一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池的空間標(biāo)定服務(wù)，之前國(guó)內(nèi)只能通過(guò)特殊渠道購(gòu)買國(guó)外AM0二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電池片或者將自己的電池片拿到國(guó)外進(jìn)行標(biāo)定，這對(duì)國(guó)內(nèi)空間用太陽(yáng)電池行業(yè)發(fā)展非常不利。

另外，隨著全世界對(duì)臨近空間飛行器研究熱度的增加，對(duì)臨近空間太陽(yáng)電池的要求也越來(lái)越高，而目前臨近空間太陽(yáng)電池的標(biāo)定還處于空白，同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)臨近空間太陽(yáng)電池標(biāo)定需求量較大，因此，隨著航天和臨近空間的發(fā)展以及新型電池的不斷出現(xiàn)，會(huì)有越來(lái)越多廠家以及電池需要標(biāo)定。

因此，空間太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)化和太陽(yáng)電池標(biāo)定將伴隨太陽(yáng)電池的研制、生產(chǎn)、使用而發(fā)展，是一個(gè)長(zhǎng)期攻關(guān)的重要課題，特別是目前高空氣球太陽(yáng)電池標(biāo)定處于空白狀態(tài)，急需一個(gè)能夠?yàn)槲覈?guó)臨近空間可以長(zhǎng)期標(biāo)定的單位和平臺(tái)。

飛行試驗(yàn)成功 技術(shù)封鎖被打破

依托中國(guó)科學(xué)院光電研究院建立的中國(guó)科學(xué)院浮空器系統(tǒng)研究中心是國(guó)內(nèi)最早從事高空氣球研究的單位，建立了我國(guó)唯一的高空氣球系統(tǒng)，在高空氣球方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，是國(guó)內(nèi)高空氣球領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，也是國(guó)內(nèi)目前唯一掌握高空氣球技術(shù)、具備高空氣球研制、生產(chǎn)、發(fā)放、回收能力的單位。中心從事高空氣球的發(fā)放和試驗(yàn)工作已有幾十年，在高空氣球的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)放、運(yùn)行、回收方面積累了豐富的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，中心的高空氣球技術(shù)已經(jīng)比較成熟并達(dá)到一定的水平。國(guó)內(nèi)外合作飛行200多次，氣球體積形成了從3萬(wàn)立方米到40萬(wàn)立方米的系列，最大可制造60萬(wàn)立方米的氣球，最高飛行高度40千米，最大載重1.9噸。中心有成熟的高空氣球加工工藝和設(shè)備，可以快速開(kāi)展超壓氣球的加工與試驗(yàn)，并為飛行試驗(yàn)的實(shí)施提供可靠的技術(shù)支持和保障。

圖 5高空科學(xué)氣球發(fā)放（圖片來(lái)源：中科院高能物理所氣球組）

2018年8月8日，中國(guó)科學(xué)院光電研究院成功使用高空科學(xué)氣球進(jìn)行空間用太陽(yáng)電池的高空標(biāo)定試驗(yàn)，解決了氣球平臺(tái)動(dòng)態(tài)變化中自動(dòng)對(duì)日跟蹤機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性難題，實(shí)現(xiàn)了小型化多通道能夠?qū)μ?yáng)電池的進(jìn)行全參數(shù)測(cè)量的高精度測(cè)量，國(guó)內(nèi)首次完成了包括開(kāi)路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流和溫度等詳細(xì)參數(shù)的測(cè)量，首次獲得了幾十片不同類型太陽(yáng)電池完整地太陽(yáng)電池I-V曲線，對(duì)全面和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)空間光譜條件下太陽(yáng)電池性能具有重要意義，對(duì)于我國(guó)新型空間用太陽(yáng)電池的研制和應(yīng)用起到推進(jìn)和促進(jìn)作用。

該飛行試驗(yàn)的成功，標(biāo)致著中國(guó)科學(xué)院成為繼美國(guó)航空航天局（NASA）和法國(guó)空間研究中心（CNES）之后，全世界第三個(gè)能夠獨(dú)立進(jìn)行35km以上太陽(yáng)電池高空標(biāo)定的科研機(jī)構(gòu)，打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)空間用太陽(yáng)電池標(biāo)定技術(shù)的長(zhǎng)期封鎖。

圖 6 高空氣球載太陽(yáng)電池標(biāo)定系統(tǒng)發(fā)放成功

（圖片來(lái)源：中科院浮空器研發(fā)中心）

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）