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我國太陽電池高空標(biāo)定取得新突破一個氣球?qū)ι羁仗綔y做出大貢獻(xiàn)

小知識


我國太陽電池高空標(biāo)定取得新突破一個氣球?qū)ι羁仗綔y做出大貢獻(xiàn)



出品：科普中國
制作：中國科學(xué)院光電研究院（現(xiàn)為空天信息研究院） 徐國寧 黃宛寧 苗穎
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
近年來，高效多結(jié)太陽電池有了長足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于空間和臨近空間領(lǐng)域，是各種航天器和臨近空間飛行器的理想一次能源 。 而太陽電池的應(yīng)用，與太陽電池空間標(biāo)定技術(shù)是密不可分的 。

圖 1 空間衛(wèi)星用太陽電池（圖片來源：http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/aetherlife/space_station_tkz_2.html

圖 2 臨近空間飛艇用的太陽電池（圖片來源：https://www.cc362.com/content/Lp720wkzaq.html
太陽電池空間標(biāo)定為什么如此重要呢？
在設(shè)計(jì)空間用太陽電池能源系統(tǒng)時，需要獲得太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)陽光下的精確的性能參數(shù) 。 特別是對于探月和探火等深空探測的飛行器來說，所帶能源系統(tǒng)的重量非常有限，計(jì)算需要非常精確，能源系統(tǒng)容量大了超重，影響和擠占載荷的重量，容量小了則無法滿足飛行任務(wù)，而精確地計(jì)算則依賴太陽電池在光準(zhǔn)光下精確地性能參數(shù) 。 目前在地面采用光模擬器對光電池進(jìn)行標(biāo)定的方法不能測量出太陽電池精確的性能參數(shù) 。 因此需要對太陽電池進(jìn)行地球大氣外層或在接近的環(huán)境進(jìn)行標(biāo)定和測量 。
目前由于沒有成熟完善的多結(jié)太陽能電池標(biāo)定手段，我國研制的新型砷化鎵等多結(jié)電池的性能至今無法進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，多結(jié)電池的研制和應(yīng)用已經(jīng)受到了影響，迫切需要建立合適的標(biāo)定平臺，拿到準(zhǔn)確的電池標(biāo)定數(shù)據(jù) 。
我們把作為參考的電池在一定的光源狀態(tài)下，確定短路電流或測試其I-V曲線的過程叫做標(biāo)定 。 而利用標(biāo)準(zhǔn)電池的數(shù)據(jù)，去獲得其它電池的數(shù)據(jù)的對比過程簡稱為復(fù)現(xiàn) 。
那么對空間太陽電池的標(biāo)定需要什么樣的光源條件呢？
太陽光經(jīng)過1.5億公里傳輸?shù)竭_(dá)地球大氣圈表面的光譜輻射能量為太陽常數(shù)，大約其值為1367 W/m2，因此大氣圈外的太陽光譜輻射條件定義為AM0條件 。
空間標(biāo)定
衛(wèi)星或飛船上用的太陽電池，是在不同軌道上接受陽光的輻射，為了確定一個共同的基礎(chǔ)，引入了AM0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的太陽輻照度（不存在大氣衰減的平均日地距離上垂直于陽光的平面上的太陽光輻照度），即太陽常數(shù)的概念 。 空間標(biāo)定就是確定在AM0狀態(tài)下，太陽電池的短路電流或I-V曲線 。
目前最常用的空間標(biāo)定法包括如下幾種：衛(wèi)星標(biāo)定、火箭標(biāo)定、氣球標(biāo)定、飛機(jī)標(biāo)定和高山標(biāo)定 。 衛(wèi)星標(biāo)定一般都是實(shí)地驗(yàn)證其它標(biāo)定方法的一種手段，而不作為標(biāo)定電池的方法，原因是太陽電池不能回收 。 火箭標(biāo)定是飛行高度最高（250km）的一種標(biāo)定方法，飛行高度比氣球高五倍多，這種方法成本高 。 高山標(biāo)定和飛機(jī)標(biāo)定比較容易實(shí)現(xiàn)，但二者達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的條件，所以不是真實(shí)的AM0環(huán)境，在這種情況下得到的太陽電池性能參數(shù)有誤差，需要后續(xù)對測量值進(jìn)行校準(zhǔn)，這會導(dǎo)致其不確定度值增大 。
世界各國宇航部門都非常重視太陽電池的空間標(biāo)定工作，例如美國航宇局的劉易斯航天中心、馬歇爾航天中心、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室， 歐洲空間局的歐洲空間研究與技術(shù)中心和法國空間技術(shù)中心等, 都根據(jù)自己的技術(shù)特點(diǎn)開展了氣球等在AM0條件下太陽電池標(biāo)定以及地面實(shí)驗(yàn)標(biāo)定工作 。
各種標(biāo)定方法中高空科學(xué)氣球高空標(biāo)定比較常用 。 99.5%的大氣在35km以下，在這個高度的上界，沒有灰塵，沒有水蒸氣，沒有主要的臭氧帶，因此這里的太陽光（考慮到硅太陽電池的光譜響應(yīng)波長為0.35~1.1μm）基本上就是外層空間的太陽光，因此35km及以上的高空是標(biāo)定AM0太陽電池合適的空間 。 高空科學(xué)氣球飛行高度可達(dá)20-40km，標(biāo)定的光源狀態(tài)已非常接近理想的AM0狀態(tài) 。

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