5月11日,随着天舟十号的升空,中国空间站将陆续开展41项科学实验,其中之一是“柔性太阳能电池翼”。
柔性太阳翼首先问大家一个问题,空间站靠什么充电?是太阳能,而将太阳能转化为电能的材料是硅。
单晶硅原子排列高度有序,具有很高的光电转换率,不仅能适应太空的冰冷环境,能量损失的比例还小,综合发电效率稳定。
但是,由单晶硅制作的太阳翼很“脆弱”,在运输过程中稍微有点振动,或者有弯曲外力介入,都可能损坏单晶硅,太阳翼一旦受损,会影响整个空间站的运行,所以,如何在拥有高稳定性的同时,还要保障太阳翼的寿命,是一个大问题。

正是有了这个缺点,刚性单晶硅作为一代太阳翼材料,逐渐退出历史舞台,接着登场的是二代太阳翼,以碳纤维框架+玻璃纤维网为主,随后是三代太阳翼,主要材料是柔性砷化镓。
三代太阳翼以柔性基本为主,配合砷化镓电池,电池效率高达30~40%,但原材料稀缺,导致成本太高,占太阳翼总成 60%-70%。
有没有一种更好的方案呢?这就不得不提到,此次进入太空做实验的柔性单晶硅。
简单的说,柔性单晶硅的原理和刚性单晶硅一样,但解决了后者的致命短板,中科院上海微系统所研究团队发现,单晶硅片的边缘处,很容易在受到弯曲应力后萌生裂痕,这是力学短板,所以经过大量研究,专家在刚性单晶硅的基础上,新研发出了柔性单晶硅,虽然只有一字之差,性能却天差地别。

首先是重量,柔性单晶硅薄至50~60微米,跟一根头发丝差不多,它的柔性设计比刚性单晶硅轻80%,在每一克都精打细算的航空航天领域,能大幅度节约上千万元的发射成本。
另一大亮点是,柔性单晶硅电池最小弯曲半径达到5毫米以下,也可以进行重复弯曲,弯曲角度超过360度,能像A4纸一样折叠,折叠后的厚度仅18厘米,能节约空间,并且电池效率达24%~26%,接近理论极限29.4%。
在复杂的太空环境下,刚性单晶硅的抗陨石(微型)能力弱,被撞击后难以修复,而柔性单晶硅能吸收微陨石撞击能量,损伤范围小,更适合太空。
相比于砷化镓的昂贵成本,硅的原材料极其丰富,成本只有砷化镓的10%,制作成太阳翼的综合成本能降低70%~90%。
中国星网的“能量心脏”美国spaceX已经有了先发优势,日本也在加紧组建“卫星星座”,也就是日本版的星链,为了抢占稀缺的太空轨道和频段资源,中国版星链的发展迫在眉睫。
据了解,中国计划构建“星网”和G60“千帆星座”为代表的卫星互联网,组网卫星数量超过3万颗。
如此庞大的卫星数量,电池问题该如何解决?如果都用三代砷化镓太阳翼,又是绕不开的话题,原材料紧缺,运行成本高。
所以在星网同步发展的时候,我国要研发出一种“经济实惠”+“性能卓越”的电池,很显然,柔性单晶硅电池符合未来大规模应用。

此次太空实验的任务,主要包括在轨期间所处位置和运行轨迹经历的原子氧剂量、紫外辐照剂量、电子剂量、质子剂量、高低温变化等相关数据。
通过和地面数据的对比,对柔性单晶硅电池再进行优化,尽快推动实际应用。