太阳电池空间标定为何如此重要？

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图1空间卫星用太阳能电池(照片来源:2.htm http://amuseum.cdstm.cn/amuseum/aetherlife/space站)

图2临近空间飞艇的太阳能电池(照片来源:https://www.cc362.com/content/Lp720wkzaq.html)

为什么太阳能电池空间校准如此重要？

在设计空间用太阳能电池系统时，需要获得标准太阳光下太阳能电池的准确性能参数。特别是对于月球探测和火探测等深空探测飞行器，能量系统的重量非常有限，计算需要非常精确。能量系统的大容量过重，影响和挤出负载的重量，小容量不能满足任务，而精确的计算依赖于太阳能电池在光准光下的准确性能参数。目前，利用地面光模拟器标定光伏电池的方法无法测量太阳能电池的精确性能参数。因此，有必要校准和测量地球大气层外层或封闭环境中的太阳能电池。

目前，由于缺乏成熟、完善的多结太阳能电池校准方法，国内开发的新型砷化镓等多结电池的性能至今无法准确评估。多结电池的发展和应用受到了影响。迫切需要建立合适的校准平台，获得准确的细胞校准数据。

我们称之为在特定光源状态校准下确定短路电流或测试参考电池的伏安曲线的过程。使用标准电池数据获取其他电池数据的比较过程简称为复制。

校准空间太阳能电池需要什么样的光源条件？

阳光通过1.5亿公里传输到地球大气层表面的光谱辐射能是太阳常数，值为1367瓦/平方米。因此，大气外的太阳光谱辐射条件被定义为AM0条件。

空间校准

卫星或航天器上使用的太阳能电池接收不同轨道的太阳辐射。为了确定一个共同的基础，引入了AM0标准状态下的太阳辐照度的概念(在没有大气衰减的日地平均距离上垂直于阳光的平面内的太阳辐照度)，即太阳常数。空间校准用于确定AM0状态下太阳能电池的短路电流或电流-电压曲线。

目前，最常用的空间校准方法包括:卫星校准、火箭校准、气球校准、飞机校准和山地校准。卫星校准通常是现场验证其他校准方法的一种手段，但不是校准电池的一种方法，因为太阳能电池无法回收。火箭校准是一种飞行高度最高(250公里)的校准方法。飞行高度是气球的五倍多。这种方法成本很高。高山校准和飞机校准相对容易实现，但是它们不能满足标准太阳光谱条件，因此它们不是真实的AM0环境。在这种情况下，获得的太阳能电池性能参数存在误差，需要随后对测量值进行校准，这将导致其不确定度值的增加。

世界各国航天部门都非常重视太阳能电池的空间校准。例如，美国航天局的刘易斯空间中心、马歇尔空间中心、喷气推进实验室、欧空局的欧洲空间研究和技术中心以及法国的空间技术中心都在AM0条件下对太阳能电池进行校准，并根据各自的技术特点进行地面实验。

高空科学气球校准是各种校准方法中常用的一种。99.5%的大气低于35公里。在这个高度的上限，没有灰尘，没有水蒸气，也没有主要的臭氧区。因此，这里的太阳光(考虑到硅太阳能电池的光谱响应波长为0.35~1.1μm)基本上是外层空间的太阳光。因此，35公里及以上的高度是校准AM0太阳能电池的合适空间。高空科学气球飞行高度可达20-40公里，标定光源状态非常接近理想的AM0状态。

图3使用高空科学气球的太阳能电池空间校准(照片来源:自制)

高空科学气球的运动特性

高空科学气球作为太阳能电池空间标定的“道具”，其运动特性是影响太阳能电池空间标定的重要因素之一。高空科学气球的飞行高度为20-40公里。这个高度的大气是平流层。大气运动非常稳定，大气密度仅为地面的1%左右。因此，吊篮和气球将以每小时几十公里的速度平稳地随大气漂移。高空气球吊篮绕垂直线旋转，在水平面摆动，在垂直方向振动。

高低频吊篮在稳定状态下摆动幅度很小，球体在垂直方向产生加速度，导致吊篮在垂直方向振动。振幅不会太大，可以忽略。气球沿铅垂线的旋转速度不是恒定的，其变化周期为10分钟。根据以往高空气球飞行试验中所测得的吊舱旋转数据，可以得出结论:平飞阶段吊舱的旋转可以近似认为只受气球随机旋转的影响，而不会叠加吊舱在上升过程中的旋转和摆动。

基于高空气球的太阳能电池空间标定系统需要解决待标定电池随吊舱转动的问题。因此，必须设计太阳能跟踪控制系统。该设计考虑了高空气球复杂的运动形式，主要包括:旋转、上下振动和水平飞行。在上述动态条件下启动跟踪系统后，跟踪速度和跟踪精度不会衰减。跟踪装置可以快速跟踪和对准太阳位置，所以我们把这些电池片做成校准的“向日葵”。

图4高空科学气球搭载的太阳能电池校准系统(照片来源:自制)

如果要测试的电池放置在35公里以上的AM0附近，并且要测试的电池穿过太阳跟踪系统并垂直于太阳的入射角，其余工作与地面校准没有区别。

这种方法已经连续实施了十多年，积累了大量的标准电池数据。特别是，根据这些校准结果设计了各种卫星的太阳能电池阵列，其功率与卫星的实际飞行结果一致。因此，所有国家都承认用这种方法校准的电池是一级标准电池。

标准太阳能电池

既然提到了初级标准电池，就有必要引入标准太阳能电池。标准太阳能电池分为一级标准、二级标准和工作标准。不管怎样，它至少有三个必要的参数:标准状态下的积分响应或短路电流、光谱响应Q(λ)和温度系数。经过多次校准和与其他校准方法的比较，一批校准值一致的电池被称为一级标准。初级标准电池按照一定的技术条件包装，并保存在干燥的环境中。

根据再现要求，除了测量模拟光源下的短路电流外，二次标准电池已经过光谱校正。二次标准电池可以严格跟踪一次标准的准确度。

标准光强的标准电池称为工作标准电池。一般工作标准分为几类:例如，用不同辐射量照射的电池(根据辐射量可分为几个等级)、多晶硅电池、背场硅电池、复合电池等。这些工作标准已根据重复系数进行了修订。当它们被使用时，根据待测试的太阳能电池的类型和它们各自的工作标准来检查光强度。

工作标准电池经常与二次标准电池进行比较，而二次标准电池需要由相关部门定期检查。

中国太阳能电池校准的发展障碍

现阶段，国外对中国实施了技术*，禁止向中国提供标准电池校准工作和一级AM0标准电池件。此外，中国还没有相关的权威机构能够为一级标准电池提供空间校准服务。以前，中国只能通过特殊渠道购买国外AM0二级标准电池片，或者将自己的电池片带到国外进行校准，这对国内空间太阳能电池产业的发展非常不利。

此外，随着世界上对临近空间飞行器研究的增加，对临近空间太阳能电池的要求越来越高。目前，近空间太阳能电池的标定仍是空白。同时，国内对近空间太阳能电池校准的需求很大。因此，随着空间和临近空间的发展以及新型电池的不断出现，越来越多的制造商和电池需要进行校准。

因此，空间太阳能电池的标准化和校准将随着太阳能电池的开发、生产和使用而发展。这是一个长期研究的重要课题，尤其是目前，高空气球太阳能电池的标定处于空白状态。它迫切需要一个能为中国邻近空间长期校准的装置和平台。

飞行试验成功，技术*解除

中国科学院浮空器系统研究中心依托中国科学院光电研究所建立的中国科学院浮空器系统研究中心，是中国最早从事高空气球研究的单位。它建立了中国唯一的高空气球系统，积累了丰富的高空气球领域的经验和技术，是中国高空气球领域的权威机构，也是唯一掌握高空气球技术并具有高空研究、生产、销售和回收能力的单位。该中心从事高空气球的销售和测试已有几十年，在高空气球的设计、制造、销售、运行和回收方面积累了丰富的设计和实施经验。经过多年的发展，该中心的高空气球技术已经相对成熟，达到了一定的水平。国内外已经进行了200多次合作飞行。气球体积从30，000立方米到400，000立方米不等，最大容量为600，000立方米，最大飞行高度为40公里，最大载荷为1.9吨。该中心拥有成熟的高空气球加工技术和设备，能够快速进行超压气球的加工和测试，为飞行测试的实施提供可靠的技术支持和保障。

图5高空科学气球分布图(照片来源:中国科学院高能物理研究所气球组)

2018年8月8日，中国科学院光电研究所成功利用高空科学气球进行了空间用太阳能电池的高空标定试验，解决了气球平台动态变化中太阳自动跟踪机构的稳定性和可靠性问题，实现了小型化多通道太阳能电池全参数测量的高精度测量。在国内首次测量了开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流和温度等详细参数，并首次获得了数十条不同类型太阳能电池的完整的太阳能电池伏安曲线，这对全面准确评价空间光谱条件下的太阳能电池性能具有重要意义，对促进和推动我国新型空间太阳能电池的开发和应用具有重要作用。

此次飞行试验的成功标志着中国科学院成为继美国宇航局和CNES之后，世界上第三个能够独立校准35公里以上高度的太阳能电池的科研机构，打破了长期以来外国对中国空间太阳能电池校准技术的*。

图6高空气球太阳能电池校准系统成功发布

(图片来源:中国科学院浮空器研发中心)

(本文中显示的图片均经过授权)