太阳能在卫星上的应用最早可以追溯到 1958 年，美国先锋一号卫星采用六块晶硅光伏电池组成的太阳翼阵列为一台 5mW 的发射器提供能量，此后太阳能以及晶硅技术成为主流的卫星供电方案，电池效率从不到 10%提升到 15%以上。 1965 年，前苏联 Venera3 卫星首次使用砷化镓电池；1995 年，第一颗商业通信卫星 MEASAT 使用单结砷化镓作为主要 供电单元，太阳能阵列设计提供了完整的数据库，并证明砷化镓电池满足航天器全生命周期供电需求，此后砷化镓电 池逐步取代硅电池成为航天器的基本发电单元，并逐步从单结型发展为生长在锗基材上的多结型。
随着航天器有效载荷和性能需求持续推动更高的电力需求，解决空间能源需求已超越仅仅提升太阳能电池光伏转换效 率，对功率比、存储空间、结构重量以及展开/收放能力的要求，加速了柔性技术结构的发展和进步。最早的刚性太阳 翼作用于先锋一号，20 世纪 80 年代中国的东方红四号卫星也采用了典型的刚性太阳能电池阵列；同时期美国宇航局 哈勒太空望远镜开始使用安装在柔性材料上的太阳能电池，2021 年 ROSA（展开式太阳能阵列）首次搭载成为飞行器 驱动能源，同年中国空间站首个柔性太阳能阵列系统部署成功。
2.1 太空环境中有什么？
对太阳能电池而言，太空环境与地面环境的主要差异可以总结为三点：光照强度和光谱范围；水、氧、太空辐射等物 质；温度。
1）光照强度和光谱范围
太阳光的辐照强度随着与太阳的距离越远而减弱，由于大气层对太阳光有反射、漫散射、吸收等作用，实际达到地面 的太阳辐照强渡只有 30%左右，研究上将地面接收到的太阳光称为标准光谱 AM1.5g，光强定义为 1000W/㎡；太空中的 太阳光谱称为 AM0，光强约为 1361W/㎡。 同时太阳光谱范围有着巨大的差异，在太阳光穿过大气层到达地表的过程中，波长小于 300nm 的光（紫外波段）被大 气层中的氧气、臭氧、氮气吸收，波长为 900nm、1100nm、1400nm、1900nm 的光（近红外）被水蒸气吸收，1800nm 及 2600nm 的光（短波红外）被 CO₂吸收，中波、长波红外光几乎无法到达地面。
2）水、氧、太空辐射
不同于大气层内是一个充满了水、氧气的环境，在绝大多数太空环境中，水和氧的丰度极低，可以近似认为是“极端 真空”或“接近绝对真空”，但不同的轨道高度仍然面临不同的原子或质子影响。 低地球轨道（LEO）定义为离地表 20-1200km 的高度范围，环境中原子氧（AO）含量高达 80%-90%，分子氮（N2）约占 10%-20%，随着轨道高度增加、各组分密度有所减小，而原子氧的高密度（＞105 /cm3）会一直维持到 700km 以上，因 此也成为低轨环境中对航天器影响最为重要的因素之一。 在轨道上，原子氧和航天器的相对运动速度较大，原子氧相对动能高达 5eV 左右，足以引起表面材料的化学反应；并 且原子氧本身具有强氧化性，可以与表面材料直接发生反应，产生氧化、溅射和剥蚀等作用。 中地球轨道（MEO，1200-36000km）及地球同步轨道（GEO，36000km），涉及地球外辐射带中心区域，外辐射带的电子 能量可以高达 MeV，同时电子通量随着时间或空间有数个量级的变化，是一个完全动态的系统；而 MeV 级别的高能电 子具有极强的穿透性，同时可以通过充放电效应破环太阳翼。
3）温度
太空是一个冷黑背景，航天器在受到太阳辐照时温度急剧上升，当运行到地球阴影区时，温度又急剧下降；例如空间 站每 90 分钟绕地球一圈，也就完成一次“昼夜交替”，向阳时航天器表面温度飙升至 150℃以上，背阴时温度骤降至 -100℃以下，这对要求电池片在短时间的极大温差下仍能保证稳定的发电能力提出了较高的要求。
2.2 三结砷化镓电池：高效、耐辐射，但资源稀缺导致价格居高不下
砷化镓（GaAs）是一种三五族化合物半导体材料，与传统地面太阳能电池的光伏原理类似，光照射到砷化镓为其提供 光子能量，激发价带中的电子产生电子-空穴对，电子-空穴对在内建电场（PN 结）的作用下分离，并在 PN 结两端积 累形成光生电压，也就是光生伏特效应。
这一过程中，价带顶和导带底的相对位置、带隙宽度与太阳光谱的匹配程度使得砷化镓具备较晶硅更优异的光电转换 效率：1）砷化镓是直接带隙材料，更容易被光子激发；2）砷化镓的带隙宽度为 1.42eV，根据 S-Q 极限原理，材料越 接近 1.34eV，越能获得更高的光电转换效率极限。 三结电池的理论极限效率是 51%，根据 NREL，三结及以上砷化镓电池基于小面积（＜1cm2）的地面实验室效率纪录为 39.46%，大面积（＞10cm2）的地面实验室效率纪录为 34.1%，考虑 AM0 光谱及温度对电池效率的影响，目前，航天器 电源主流的 GaInP/Ga(In)As/Ge 三结太阳电池的光电转换效率可达 30%以上。
在空间辐射环境下，位移效应是光伏电池损伤的本质原因，例如半导体材料中的晶格原子在受到宇宙辐射（高能粒子） 碰撞后脱离正常位置，位移形成“空穴-间隙原子对”，这类缺陷作为复合中心会导致光伏器件少子寿命下降、载流子 浓度降低、少子迁移率下降，进而体现为电池效率衰减。 而实验表明，砷化镓具备较为优异的耐辐射能力，主要原因 1）GaAs 是极性半导体，原子间的结合兼具共价键和离子 键特征，且 Ga-As 键长短，原子核对外层电子的吸引力较强，要使原子位移所需要的能量更高。2）GaAs 内部缺陷达 到一定峰值后，进入 “自退火”过程，缺陷复合并最终达到相对稳定的状态。3）GaAs 是直接带隙半导体，电子被激 发到导带所需能力较低，即使载流子寿命和迁移率在辐射下降低，仍有大部分载流子能被电场收集，效率衰减速度相 对平缓。
然而，与晶硅电池制作 PN 结需要进行元素掺杂一样，三五族化合物本身是本征的，也就是没有 N 或 P 的导电类型区 分，因此需要在外延或者化学气相沉积（MOCVD）的过程中进行掺杂，这也使得空间场景应用的三结砷化镓电池结构 及其复杂，一般需要生长近 30 层外延，并且外延结构的设计、每一层外延生长质量都直接影响整个砷化镓太阳能电 池的性能。
除了制备难度以外，现阶段在 Ge 衬底和 GaAs 衬底上外延砷化镓是最主流也最成熟的方案。锗和镓的全球储量资源稀 缺、分别约为 8600 吨/23 万吨，且锗和镓多以伴生矿形式出现，开采难度较大，2024 年产量分别约为 220 吨/760 吨， 假设全球每年发射 1 万颗星且单星太阳翼面积为 100 ㎡，若全部使用三结 GaAs 电池，测算 Ge 和 Ga 的用量约为 850 吨/10 吨。 资源紧缺导致价格昂贵，2025 年初，锗价一度攀升至接近 20000 元/kg，镓价也基本位于 1600 元/kg 左右，远高于铁、 铜、铝等常见金属，并且考虑其战略价值和应用前景，价格具有较强支撑。
2.3 空间适用型晶硅电池：兼具性价比与实证历史，P 型、薄片化为适配方案
在空间光伏需求激增与低轨卫星群成本削减压力并存的背景下，太空光伏技术从传统“优质高端”向“性价比”策略 转型。晶硅电池在太空供能中有着重要的历史地位和现实应用，同时又在地面场景大规模产业化发展的漫漫长河中， 制造成本大幅下降，有望随着卫星市场的商业化提速而迅速渗透。 不同于地面市场在提效导向下已经从 P 型主流迭代到了 N 型时代，P 型晶硅在太空这类高辐射的特殊场景下反而表现 出更为优异的抗衰减特性：1）P 型硅内的 B-O 复合缺陷对的能级较深，少子被捕获后难以再热激发回能带，缺陷中心 复合过程慢；2）高能粒子辐照容易形成氧空位缺陷，这类缺陷在 P 型硅中对少数载流子（电子）的俘获几率较低， 少子寿命相对更长；3）高能粒子撞击所形成的缺陷，易使 N 型硅转变为 P 型，导致 PN 结构失效。
P 型晶硅技术路线可选的有 BSF、PERC、P-HJT、P-IBC，其中 BSF 电池在高能辐照下，背表面场对效率的优势会消失， 功率显著衰减；xBC 电池由于 P 区和 N 区都在电池背面，电流依赖基区横向传导，缺陷所导致的电阻率增加，即使是 极其微小的，也会引起巨大的串联电阻损耗，导致输出功率显著下降。
在剩下的技术选择中，PERC 在空天应用场景的成熟度更高，P-HJT 则是在效率、薄片化方面具备显著优势。 1）根据《Investigation of p-type Silicon Heterojunction Radiation Hardness》，60um 硅片厚度的 HJT 电池效 率与 180um 硅片厚度的 PERC 电池基本持平。在卫星太阳翼上使用薄片化电池不仅是能满足其柔性的需求，还与电池 效率的衰减幅度有关，硅片越厚，少数载流子扩散长度越长，辐射诱导的缺陷会大幅降低载流子的扩散长度，导致基 区载流子收集概率下降，效率衰减更快。 2）结构是电池效率的重要因素，PERC 采用氧化铝/氮化硅钝化结构，主要原理是化学钝化和场效应钝化；HJT 采用非 晶硅钝化，用异质结构取代同质结，开路电压更大；HJT 结构对称、具有超高双面率；HJT 为低温制程，对少子寿命 的影响较低，提升短路电流。
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