太阳能作为一种清洁、可再生的能源，在能源领域中扮演着越来越重要的角色。除了地面上的各类太阳能电池之外，人们在卫星、空间站和深空探测器等航天器上也应用了高性能太阳电池，用来作为这些设备的能量来源，为其在空间长期运行提供保证。

图1 天宫空间站（图片来源：Wikipedia）

在诸多类型的太阳能电池中，钙钛矿太阳电池是新一代太阳能电池技术的代表，它具有更高的转换效率，未来可能具备广阔的应用前景，因此备受关注。

为了让太阳能电池在飞行器上顺利使用，科学家们必须先让它们来一次高空标定之旅，这项旅程不仅揭示了太阳能电池的神秘面纱，还为我们展示了科学家们在航天领域取得的重要突破。

太阳能电池的原理是光生伏特效应，也就是说当光线照射到太阳能电池表面时，会激发出电子并产生电压。这个过程使得光能转化为电能，为我们提供了一种清洁且可持续的能源来源。简而言之，太阳能电池就像是把阳光变成电力的魔法装置。

图2 光生伏特效应原理图（图片来源：Wikipedia）

传统上使用的太阳能电池是基于硅材料的单晶硅太阳能电池，它们虽然目前应用广泛，但是其制造成本高、在光的吸收效率上有限、对光线的散射较为敏感，在弱光条件下性能显著下降，这些缺陷限制了它们的大规模应用。

图3 传统单晶硅太阳电池（图片来源：Wikipedia）

为了解决这些缺点，科学家们进行了长期的研究，先后探索了薄膜太阳能电池，包括铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池、铜铟硒硫（CISS）薄膜电池、非晶硅（a-Si）薄膜电池等。这些电池材料较薄，可以在灵活的基底上制造，但效率仍有待提高，并且一些材料成本较高。而之后出现的有机太阳能电池在理论上有很大潜力，但在实际应用中效率相对较低，且稳定性不够。

随着科技的进步，钙钛矿太阳能电池（其实它里面既没有钙，也没有钛）逐渐吸引了人们的目光，并以高效率、低成本、易制备的特点迅速在光伏行业中占领一席之地。

图4 钙钛矿太阳电池（图片来源：Wikipedia）

钙钛矿太阳能电池是以钙钛矿型（ABX3型）晶体作为吸光层材料，钙钛矿是一种三维晶体结构，作为电池原材料表现出了极佳的光学吸收性能，以及出色的电荷运输能力。

钙钛矿太阳能电池的结构类似于“夹心面包”，我们可以将外层面包皮比作钙钛矿晶体的外层表面，它可以保护晶体内部的结构，并包含两侧的电极，面包次外层是空穴传输层和电子传输层；将夹心比作钙钛矿晶体的钙、钛和氧等元素组成的结构；将调料比作钙钛矿晶体的缺陷或杂质，它们可以影响晶体的性能和特性。当电池受到阳光照射时，夹心层就会吸收光子能量，利用面包层在外电路形成电荷定向移动来产生电流。

图5 钙钛矿结构图（图片来源：自制）

作为新生代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池不仅具有优异的耐用性，而且非常柔韧，展现了轻、薄、灵活的优势。不仅可以克服传统晶硅太阳能电池成本高、能耗大，还可以打破效率转换的“天花板”。

钙钛矿电池因其卓越的性能在太阳能电池领域引起了巨大的轰动。它不仅能在广泛的温度范围内运作，还能在恶劣的太空辐射环境下高效稳定使用。这些特点使得钙钛矿电池成为了空间应用的完美选择。

然而，在飞行器的能源系统设计中，精确的性能参数至关重要。因此在空间用太阳能电池的广泛应用之前，必须进行准确的标定，以确保其在太空环境中能够稳定工作，为飞行器的能源供应和运行提供可靠支持。

飞行器能源系统包括发电单元、储能电源和能源管理与配电单元等，其中太阳电池阵列就使用于发电单元上，由若干单体电池组成，设计时一般参考单体标准测试或标定的数值。

若单体电池测试结果偏大，则设计的太阳电池阵供电能力无法满足空间飞行器的实际能源需求，造成供电不足，严重时导致飞行任务失败；若测试结果偏小，设计的太阳电池阵尺寸将会偏大，造成能源系统偏重，影响和挤占载荷的重量，导致飞行成本增加，因而空间标定准确性相当重要。

标定是对电池的性能参数进行精确测量（包括电池的开路电压、短路电流、I-V特征曲线等）和校准的过程，使其能够在实际应用中发挥最佳性能。

空间标定主要通过高空实验来完成，确保电池在临近真实空间环境中的性能数据。空间标定方法多种多样，包括高空气球、火箭标定以及在轨标定（卫星、空间站）等。这些方法能够将电池置于接近实际应用场景的环境中进行标定，从而获得更准确的数据并降低测量不确定度，为其在太空中的应用提供可靠的数据支持。

正是由于钙钛矿电池在高效率和稳定性方面的卓越表现，以及针对其在太空环境下的精确标定，使得它成为了航天器中电能供应的首选，为我们的航天事业注入了新的活力和动力。

在广阔的太空中，科学家们为了确保钙钛矿太阳能电池在飞行器上能够如鱼得水地工作，创造了一个奇幻的标定之旅。这项神秘的任务被称为“高空飞行标定法”，它的目标是为钙钛矿电池找到完美的性能参数，让它们在太空中发挥出色。

国内外一些机构已经开展了一系列太阳电池标定的研究试验。针对不同的设计需求，我们可以采用不同的标定方式，从而将测量环境推至接近实际应用场景，获得更准确的数据，并减小测量不确定度。这种持续性的标定工作对于太阳电池技术的发展至关重要，它可以为太阳能领域提供可靠的性能参数和参考数据。

图6 多种标定方式对比图（图片来源：自制）

在轨标定为空间原位标定，包括卫星、空间站、航天飞机，但因其发射成本高、发射周期长且电池很难回收，一般是用来验证其他标定方法的手段。美国国家航空航天局（NASA）曾分别在航天飞机与高空气球实验中对一块电池进行标定，结果显示最大偏差为1.12%，均方根偏差仅为0.57%，这表明使用气球进行标定的结果与在轨标定的结果非常相似。

图7 国际空间站上的电池标定（图片来源：参考文献1）

火箭标定是另一种到达空间环境进行标定的有效手段，但其缺点是真正用于标定的时间很短，不能保证有足够的有效数据，且不能保证电池片被太阳垂直照射。

洛克希德导弹与航天公司和艾姆斯研究中心的研究人员分别于1974年和1976年使用火箭进行了两次校准实验，最大飞行高度达251km，其中一个电池于1974年在36km高空进行过气球实验校准。将气球和火箭实验的结果进行比较，结果仅有0.3%的差异，这表明使用气球进行校准的结果与使用火箭飞越大气层的结果非常相似。

图8 慕尼黑技术大学的MAPHEUS-8火箭（图片来源：参考文献2）

高空气球标定高度可达 35km 以上，此处的残余大气浓度低于 0.5%，水蒸气、臭氧等的含量极低，对太阳光的吸收和散射作用很小，太阳辐射环境已基本接近空间太阳辐射，因此，考虑标定电池的回收，标定便利性和准确性，高空气球标定法无疑是最合适的空间太阳电池的标定方法。美国宇航局/喷气推进实验室（NASA/JPL）、法国空间研究中心(CNES)、日本宇宙科学研究所(JAXA)和中国科学院等机构均进行了多次高空气球标定试验，标定了很多新型的太阳电池，极大的推动了空间太阳电池的研究与发展。

图9 中国科学院高空气球标定试验图（图片来源：参考文献3）

无论是上述哪一种标定方法，想要准确的测量钙钛矿太阳电池的性能，标定装置的组成都大致包含以下三部分：飞行平台、太阳对准装置、数据采集装置。下面将以高空气球标定法为例进行简要的分析。

图10 标定系统结构图（图片来源：自制）

在这个神奇的标定之旅中，科学家们将待测的钙钛矿电池装载到高空气球中，让它们飞上海拔35km以上的临近空间。在高空气球平飞的过程中，精密的追踪装置像“向日葵”一样追踪太阳，使太阳光线垂直照射在电池上，测量装置同时测量电池的输出特性，如短路电流、开路电压、温度等。测试结束后，地面控制台遥控切割器，从高空气球下分离标定装置，并使用降落伞将标定装置安全送往地面，回收车队根据定位安全回收标定装置和其中的太阳电池片。

这个高空飞行标定法的神奇之处在于，它创造了一个接近真实太空环境的实验场景。在高空中，大气浓度低、水蒸气和臭氧等元素含量极少，太阳辐射环境与太空相似，为电池的性能参数标定提供了理想的条件。通过这个标定方法，科学家们可以获得准确的性能数据，为钙钛矿电池的应用提供坚实的支持。

空间标定为钙钛矿太阳电池研究提供了重要的数据和参考，除了能帮我们了解太阳能转换过程、优化电池性能以及推动清洁无污染的太阳能技术的发展之外，还能为其他领域的研究提供启示，如外星基地建设、太阳能远程监测和环境科学等。在未来，太阳能电池技术一定会有更广泛的应用，帮助我们进入一个可持续的、更光明的未来。

参考文献：

[1] L. K. Reb, et al. "Perovskite and organic solar cells on a rocket flight." Joule 4.9 (2020): 1880-1892.

[2] Walters, Robert J., et al. "Materials on the International Space Station—forward technology solar cell experiment." Materials Science and Engineering: B 116.3 (2005): 257-263.

[3] 徐国宁, 唐宇, 李兆杰, 等. 太阳电池高空气球标定关键技术研究[J]. 太阳能学报, 2021,42(10):94-104.

作者：庄春雨 钱璐 黄宛宁

作者单位：中国科学院空天信息创新研究院