正文共4200多字，把鈣預計閱讀時間為10分鐘
一、鈦礦導讀
如果回想近十幾年來材料領域極為熱門的送上研究方向，鹵化物鈣鈦礦可謂當仁不讓，空間當然，站材同期的料牛明星材料也有不少，例如，把鈣以石墨烯為代表的鈦礦二維家族。不過，送上由于鹵化物鈣鈦礦家族在太陽能電池系統中的空間突飛猛進，使其具有了更大的站材“帶貨能力”，幾乎同光、料牛電有關的把鈣應用領域都能見到它的身影。當然，鈦礦其真正的送上大本營依舊是太陽能領域，確實，歷史上幾乎很少有類似的材料家族能在十多年發展里實現太陽能效率的飛速增長。不過，一般而言，活性越強的材料往往都不可避免的遭遇穩定性魔咒，水汽、氧氣是擺在其實現真正意義上的商業化所必須直面的慘淡。盡管目前已經有不少商業孵化公司宣稱實現了所謂的規模級量產，但在科學上，鈣鈦礦太陽能器件距離實際使用壽命達到20年的商業化標準仍很遠。
那么，既然鈣鈦礦材料怕水氧，而這又是地球上最基本和常見的使用場景，何不將其“逃離地球”，說不定在地外系統中能發揮其真正的高效能。近些年來，國外已經開始在這一領域進行布局，例如，美國國家航空航天局（NASA）最新的太空計劃中已將鈣鈦礦作為太陽能電池的重要候選材料，并已經實現了幾次太空測試。
二、太空如何供電？
太空是人類探索地外空間奧秘，揭示宇宙起源以及破解基礎科學問題的策源地，因而，走向近地空間、地月系統，甚至是超越太陽系都是未來必經之路。這其中最重要的探測工具就是各種衛星和著陸器，不過，太空沒有插座，也沒加油站，俗話說，人是鐵飯是鋼，航空器也得“吃飯”，加油看起來不太現實，電能就成了必需品。航空器各系統以及載人必須的生命支持系統的持續運行都離不開電能，幸運的是，我們擁有太陽這個能量源泉，因此，太陽能電池板幾乎成了航空器的標配，而且很多時候，當我們想到或者看到航空器時，令人印象深刻的似乎總是那“碩大”的太陽能帆板。
?例如， 2015年11月，美國宇航員Scott Kelly在國際空間站進行艙外活動時拍下了圖1這張照片，國際空間站的大小與其八個35米長的太陽能電池陣列帆板相比相形見絀，其中，每個帆板包含大約 33000個太陽能電池，轉換效率約為14%。顯然，國際空間站采用的太陽能技術已經過時，不過，NASA一直持續進行太空太陽能電池的創新。早在1989年，NASA同PowerFilm公司的前身Iowa Thin Film Technologies公司合作，研發了一種將薄如紙張的太陽能電池集成到可卷起來儲存的柔性基板上的方法，并且實現了90%的太陽能轉換效率。
圖1美國宇航員Scott Kelly在國際空間站外工作credit: NASA
當然，如果航空器的飛行任務遠離太陽，就需要考慮陽光衰減的問題，比如，一塊 1 m2的太陽能電池板可以在地球附近產生約 400 W的功率，必須將其放大 2000 倍才能在冥王星附近產生相同的功率 。
然而，除了效率和體積的問題，還有塵埃，2.8克的塵埃就能使太陽能電池板的效率降低約40%，因此，NASA后續開發了防污涂層，即采用一種薄且透明的導電層。當嵌入式傳感器檢測到積聚的灰塵時，會通過涂層發送級聯電荷，采用電磁波將灰塵推開。
位于美國克利夫蘭的NASA 格倫研究中心的主要任務就是研發空間太陽能技術。那里的實驗室里擁有可容納一輛汽車的超大真空腔，從而可以模擬太空環境，用于測試太陽能電池板的性能。此外，該中心還擁有用于設計不同化學成分半導體材料的計算系統，僅僅需要在復雜的計算程序上調控幾個參數，就能得到各種不同化學元素組合形成的材料，例如，砷化鎵或磷化銦。隨后，研究者采用金屬有機氣相外延技術制備空間太陽能電池的活性成分。
如果想了解特定的電池在太空中的性能，可以將其連接到克利夫蘭霍普金斯機場格倫機庫中的一架高空飛機上，將其飛到大氣層稀薄的云層上方，進行測量并推測其在太空中的有效性。然后將使用太陽模擬器完成后續實驗，該實驗室的太陽模擬器用于重現太空中看到的光，它由一個暗室和一組強光源組成。
三、 太空使用何種太陽能電池？
目前為止，常用的太空太陽能電池有兩種：
第一種是國際空間站采用的硅電池陣列。
NASA 及其合作伙伴開發了一種將太陽能電池陣列安裝在“毯子”上的方法。毯子可以像手風琴一樣折疊起來運送到太空，進入軌道后，地面發送指令將毯子展開到全尺寸。萬向節用于旋轉陣列，使它們面向太陽，為空間站提供最大功率。
太陽能電池板的設計使用壽命為 15 年，自2000年12月部署第一對太陽能電池板以來一直在持續運行，并于 2006 年 9 月、2007 年 6 月和2009 年 3 月交付了更多的電池板。第一對太陽能電池板現已為空間站提供持續電力20 多年，隨著運行時間的延長，性能衰減不可避免，為了確保NASA 未來執行 Artemis（阿爾忒彌斯）及其他計劃可以維持充足的電力供應，NASA 為空間站的八個現有電源通道中的六個增加了新的太陽能電池陣列（圖2）。波音及其子公司 Spectrolab 和主要供應商Deployable Space Systems (DSS) 將提供新的陣列，新的太陽能電池陣列將位于現有陣列中的六個之前，并將使用現有的太陽跟蹤、配電和通道化模塊。這種方法類似于使用現有的電源和控制機制將空間站的外部電視攝像機升級到高清的方法。【來源：NASA】
圖2國際空間站計劃配置的新太陽能電池陣列 credit: Boeing
從2021年開始，當第二對當前的陣列達到其設計壽命的第15 年時，太陽能電池陣列將在 SpaceX 龍貨運飛船的無壓后備箱中的三個補給任務期間成對運送到國際空間站。每個太陽能電池板的安裝將需要兩次太空行走。【來源：NASA】
第二種是由砷化鎵和類似材料制成的多結電池，它們比硅更能抵抗降解，是目前制造的最高效的電池，轉換效率可達34%。當今太空中常見的是三結電池，NASA目前正在開發四和六結電池。
根據NASA的研究報告，美國早在1991年就進行了太空中砷化鎵太陽能電池的抗輻照測試，研究表明：用10 MeV質子或1 MeV電子輻照來自3個不同制造商的砷化鎵太陽能電池，均顯示出比硅太陽能電池高36%-56%的面功率密度優勢，顯然，其抗輻照性優異。
然而，根據一些公開的媒體報道，似乎NASA并沒有在國際空間站采用砷化鎵作為電池材料，而是采用硅薄膜電池。不過，NASA并未放棄相關的科學實驗，例如，2018年，NASA就將Alta Devices公司研發的相關太陽能電池送上太空進行了相關測試。那么，為何沒有采用大規模的砷化鎵電池陣列來進行國際空間站的太陽能電池更新，是成本還是技術問題？
不過，我國正在建設的天宮空間站采用了這項技術，據公開報道，我國采用的太陽能電池是使用第三代柔性太陽能電池陣列技術生產的，例如，問天實驗艙采用的是柔性的三結砷化鎵太陽能電池。不過，此前的神舟飛船采用的是第一代剛性太陽電池陣技術，天舟貨運飛船則采用了第二代半剛性模塊化太陽電池陣技術。
根據中國載人航天工程辦公室（CMSA）提供的消息，核心艙天和以及實驗艙夢天、問天的太陽能電池板將形成一個達400 m2的發電面，發電量超過80 kW，光電轉換效率超過30%。不過，其成本也相當可觀，據媒體報道，8 cm2造價約為1000元人民幣，“天和”核心艙一對134 m2的太陽翼，價值1.675億，而空間站三艙，僅太陽翼就要8-9個億。
那么，能否有新一代的太陽能電池材料可以既能高效發電，還比較便宜？
當然了，主角來了——鈣鈦礦太陽能電池。
四、鈣鈦礦上天路線圖
?
根據NASA最新的太空太陽能發展計劃，目前負責研發鈣鈦礦太陽能電池的人員由Kaitlyn VanSant和Kyle Crowley兩名博士后組成，此外還有協助人員。對于未來的空間任務，NASA對新型太陽能技術的主要目標為：
1）一般需求：提高電池效率，降低成本，減輕重量，提高輻射耐受性；
2）NASA具體需求：
用于具體任務的太陽能電推進的高功率系統（Gateway, Mars Cargo, ISS, Human Landing System）；
月球和火星表面任務所需的電力(火星車、著陸器、發電站、現場特定需求)
包括減少灰塵；
在強輻射和/或強度/溫度極限的獨特環境下使用。
此外，NASA還專門針對鈣鈦礦太陽能電池制定了特定目標：
1）目標：用于月球表面任務的基于柔性襯底的大面積（>100 kW）、柔性鈣鈦礦薄膜太陽能電池陣列；
2）研發策略：開發高效、可制造、和耐用的空間鈣鈦礦太陽能電池陣列；
3）需求：月球表面動力不同于大多數其他空間動力，即需要非常大的面積并顯著降低成本，鈣鈦礦薄膜可以滿足上述要求。
可見，NASA已經制定了鈣鈦礦上天的路線圖，當然，也進行了一些初步測試。北京時間2020年3月7日，SpaceX的獵鷹9火箭將龍飛船送達國際空間站， 為其送去1900多公斤的補給物資，其中就有鈣鈦礦太陽能電池。如圖3所示，MAPbI3薄膜太陽能電池被安置在國際空間站的實驗裝置上。
圖3左：制備的鈣鈦礦太陽能電池；右：安裝在國際空間站實驗裝置的MAPbI3薄膜樣品 credit: NASA
人類未來要實現在月球，火星等地外天體的永久駐留，就必須建立穩定的供電系統。特別是能實現300-600 V的高壓系統的使用，不過，目前尚未在地外實現長時間的高壓電源支撐系統。鈣鈦礦太陽能電池同晶硅、銅銦鎵硒（CIGS）等具有良好的匹配性，可以形成穩定的互聯系統，有望實現較高的總線電壓。
眾所周知，鈣鈦礦太陽能電池最大的弱點是對水、氧 、溫度等環境因素的高度敏感，而在太空，這個缺水缺氧的環境恰好使其成為極具優勢的新一代空間太陽能電池材料。在2020年舉行的第47屆IEEE光伏會議上，NASA的研究成果表明：在濕度95%，溫度28℃條件下，封裝的大面積鈣鈦礦太陽能電池陣列可以通過AIAA-S111標準的濕度測試，因此，在不存在降解危害又適合空間封裝的條件下，鈣鈦礦太陽能電池具備未來空間應用的可能性。
此外，同地面相比，空間的另一大危害是輻射，這對于很多材料而言是不小的傷害。空間輻射包括離子和非離子輻射，太陽耀斑釋放出大量質子、電子、伽射線和動能范圍從keV到GeV的x射線。因此，高能離子會對材料的晶格產生損傷，導致一定的缺陷，最終使能帶中形成局域態，增加了太陽能電池的復合損失。最近的研究表明，在質子能量為0.05-68 MeV，質子流1012 p+/cm2條件下，鈣鈦礦器件還能保持初始性能的90%左右（???? Energy Environ. Sci., 12, 1634-1647；Joule, 4, 1054-1069.）
回到前述NASA在2020年發射任務中的實驗，測試的鈣鈦礦太陽能電池似乎并沒有導致明顯的降解（圖4），較低的透過率來自較小的光斑尺寸和來自玻璃的內部反射。此外，沒有發現PbI2的吸收邊，進一步表明在空間環境下，鈣鈦礦材料是穩定的。
圖4在地球低軌道飛行10個月的MAPbI3薄膜樣品的透射譜（紅色）與對比樣品（藍）credit: NASA
熱穩定方面，電荷傳輸材料受到的影響則更為關鍵，最新的模型研究表明，在月球表面能穩定操作的太陽能電池的耐受范圍必須達到-50-75 ℃，這些都需要未來進一步的深入研究
隨后，2021年8月，美國國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員將8個鈣鈦礦樣品送上了國際空間站，并又在2022年繼續送上了25個樣品（圖5）。
圖5地面制備的中間相樣品即將進行熱處理 credit: NREL
?
五、未來
鈣鈦礦在地球上怕水怕氧很難受，逃離地球立馬不怕不怕了，本征性質可以長久保持，期待它為人類筑夢月火貢獻大能量。當然，我們最期待的還是我國的天宮空間站建成后，我國自主研發的鈣鈦礦材料也能在我們自己的空間實驗室內接受來自宇宙的輻射，接受來自空間的錘煉，助力我國下一代空間太陽能電池的飛躍！
本文由Free-Writon供稿。
