刘正新 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员
各位上午好，非常感谢邀请，也非常荣幸有机会参加这个会。我的报告题目虽然叫太空光伏，但我本身不算特别专业。我看后面两场报告分别来自中电科蓝天和航天811所，他们的专家会更专业。所以我这边主要从我们自研电池的角度抛砖引玉，介绍相关内容，恳请大家批评指正。
下面是本次汇报提纲。前面各位也分享了不少内容，当下不管中国还是美国，信息化发展速度都很快，信息化发展的核心标志，早年是 4G、5G，现在则是空天一体化信息网络。这套网络融合地面、空间、临近空间多维度，形成完整全域信息体系。最具代表性的就是大家熟知的美国 SpaceX，它在 2014 年提出星链 Starlink 计划，规划发射 4.2 万颗卫星。我昨天用 DeepSeek 检索过相关数据，目前他们实际发射卫星数量已经突破 12000 颗，在轨卫星 9400 多颗，体量非常庞大。除此之外，美国其他企业、全球其他航天企业的卫星发射规模也都持续走高，未来近地轨道会密布各类卫星。大家可以想象，九千多颗卫星在轨运行，轨道密度极高。 对应这一趋势，我国也同步布局卫星互联网工程，代表性项目一是国网星网工程，规划发射一万余颗卫星。还有千帆星座，由上海企业牵头建设。我同样查阅了相关数据：星网计划发射 12000 余颗，千帆星座规划数量也达 12000 余颗。昨天查询的数据显示，当前星网在轨卫星 200 多颗，千帆已发射 170 多颗，两者加起来在轨仅三百余颗。能明显看出，我国在轨卫星规模和美国存在巨大差距。据规划，星网、千帆今年合计发射量将达到三百余颗，完成初步组网，具备全球覆盖能力。整体推进节奏、建设规模和美国仍有显著差距，对我们而言，这既是巨大挑战，同样蕴藏重大发展机遇。
从技术研发角度来讲，不管是此前的无人机、电动载人飞机，还是临近空间飞行器、卫星电源系统，整套能源架构逻辑相通，都是一套完整能源闭环。所有在轨飞行器唯一能量来源就是太阳电池，搭配储能电池与能源管理系统，共同构成闭环能源体系。尤其是卫星，发射入轨后无法补能、难以在轨维修，对整套能源闭环可靠性要求极高。由此可见，太阳电池是空间装备唯一能量获取载体，必须搭配储能电池，才能搭建完整能源闭环。
本次汇报核心围绕光伏展开，目前我国卫星、空间站普遍采用三五族化合物太阳电池，属于高效率薄膜电池，主流为三结结构，部分高轨卫星会使用四结乃至更多结，业内简称砷化镓太阳电池，由多种三五族化合物材料复合制成，内部结构十分复杂，整体膜层多达三十多层。它的核心优势是光电转换效率高：空间标准光谱下转换效率普遍超过 32%，地面测试环境下效率会更高；同时抗空间辐照性能优异。但它唯一短板是制备工艺复杂、专用设备造价高昂，最终推高整体成本。早年卫星应用阶段，单平方米成本超百万元；伴随商业航天、卫星互联网产业发展，成本降幅显著，当前单价普遍在 15 万 —20 万元 /㎡。每平方米电池输出功率约 400 多瓦，折算单瓦成本超 500 元，价格堪称天价。另外，三结砷化镓电池核心原材料为镓、锗，尤其依赖锗基板，镓、锗都属于稀有贵重半导体材料。我国已将镓、锗纳入出口管制核心品类，若大规模在空间领域应用三五族电池，会对镓、锗原材料供给形成巨大压力，大批量采购还会推高原材料市价。此前锗基板价格曾短期回落，后续再度上涨，市场价格波动直接受下游需求影响。
SpaceX 很早就意识到这项技术的成本痛点，马斯克团队始终极致追求低成本路线，因此早早切换硅基太阳电池技术路线。我们梳理公开资料发现，企业最早在 2019、2020 年就完成硅电池应用。公开报道显示其电池供应商包含美国Sunpower、台湾相关企业，业内其他渠道信息显示也存在多元供货渠道。硅电池能够大幅压缩制造成本，但转换效率同步下降，相比砷化镓电池低十个百分点以上。不过星链运载火箭运力充足，效率短板带来的影响相对有限。
而且其技术迭代速度极快，从一代卫星到如今三代卫星，变化十分明显。截至去年年底，星链一箭可发射五六十颗卫星，对应为 V2、V2 Mini 小型卫星，单星太阳翼面积 200 多平方米，地面视角看规模不大；今年发射批次单箭仅搭载二十余颗卫星，足以看出单星重量、体积大幅提升。根据近期公开资料，三代单星重量超 2.5 吨，单星太阳翼展开面积达 500—600㎡。地面场景下 20×30 米面积并不起眼，但在轨工况下工程难度极高：不仅要完成发射入轨，还需持续高精度对日定向控制，整套工程体系复杂度很高。这类大体积卫星对国内来说属于大型航天器。从公开实拍图像能清晰看到，星链卫星采用堆叠式布局，配套太阳电池为单晶硅电池，是地面光伏领域已逐步淘汰的 PERC 电池，转换效率偏低。其核心逻辑就是极致压缩成本，而非追求超高转换效率。产线层面完全复刻地面光伏工业化高速生产模式。反观国内传统卫星电池生产模式，精细化程度高、类似手工精工，电池片尺寸小，分片焊接、多层封装大量依赖人工，近年虽逐步机械化，但整体生产效率偏低。
而 SpaceX 产线生产速度对标地面光伏行业，大家做光伏产业的应该清楚，当前行业内卷严重，一条 1 吉瓦光伏产线，单片电池片生产节拍约 1 秒一片。储能类产线良率仅百分之九十几，但高速光伏产线良率稳定在 98.5% 以上，头部产线甚至接近 99%。整套产线全自动化流水线设计，产能规模巨大，有效摊薄单瓦生产成本。即便如此，我们测算星链全年卫星发射总量对应的太阳电池总需求量不足 1 吉瓦，单一条标准光伏产线就能完全满足供货需求。
我们再回看硅基电池的起源，很多人并不了解：现代晶体硅太阳电池最初就是为航天卫星研发。美苏太空竞赛阶段，苏联率先发射人造卫星，美国起步稍晚；早期卫星仅搭载化学电源，在轨仅能工作数日，电量耗尽后便失效。科研人员很快想到利用光电转换的太阳电池方案。1954 年，美国贝尔实验室科研团队研制出现代单晶硅太阳电池，实现单晶硅光电转换，当时地面转换效率仅 6% 左右。
1954 年完成实验室研发，1958年便搭载在美国首颗配备太阳电池的人造卫星升空，搭载电池后卫星在轨寿命大幅延长。这颗卫星备份件现存美国航天博物馆，实物输出功率虽低，但彻底革新航天器供电方案，正式开启单晶硅电池空间应用时代。上世纪 90 年代、甚至 2000 年前后，全球航天器仍以硅电池为主。 80 至 90 年代，砷化镓电池完成技术迭代升级，转换效率、抗辐照性能全面超越硅电池，行业逐步完成技术切换；我国大概在 2000 年之后全面转向砷化镓电池路线，不少青年科研人员入行接触空间电池时，接触的就是砷化镓方案。因此当前重新开发卫星用硅基电池，属于技术路线的自然回归，并非全新创新方向。
对比硅电池与砷化镓电池，除转换效率存在差距外，二者空间抗辐照性能存在本质差异：砷化镓属于直接带隙半导体，光吸收系数高，膜层厚度薄；硅属于间接带隙半导体，常规硅片厚度需超过 100 微米，同等辐照环境下整体抗辐照性能弱于砷化镓。细分硅基电池品类，分为 P 型、N 型基底，对比辐照衰减系数，P 型电池功率保持能力更优、衰减幅度更小，因此传统空间硅电池普遍选用 P 型硅基底。
硅电池技术迭代脉络清晰：早期基础 PN 结电池，地面转换效率上限约 20%，换算空间光谱效率仅 17%—18%；后续迭代出 PERC 钝化发射极电池，地面效率提升至 20% 左右；当前工业化主流为 TOPCon 电池，量产线转换效率突破 26%；更前沿路线包含异质结、BC 背接触电池。 摆在研发团队面前的核心问题是：直接复用现有地面量产电池，还是针对性开发适配空间工况的全新硅电池技术？这是我们研发工作的核心切入点。我们课题组最终选定高效率硅异质结太阳电池作为核心研发方向。
当下地面高效硅电池，不管 TOPCon、BC 还是异质结，为追求高转换效率，普遍采用 N 型硅片。但前文提到，空间工况下 P 型基底抗辐照表现更优异，因此我们核心技术突破点就是开发 P 型基底异质结电池。看似只是基底导电类型切换，背后整套工艺体系需要大幅调整，同时还要兼顾高转换效率。我们选择这条路线核心优势有两点：第一，电池为双面全钝化对称结构，后续会讲到，硅片减薄后抗辐照性能可进一步提升；第二，制备工艺温度低，支持硅片极致减薄，量产地面转换效率可达 27% 以上。
实验室样品效率可达上述水平，量产产线稳定维持 26% 以上，效率提升潜力充足，因此我们重点攻关 P 型硅异质结太阳电池。为验证该方案真实适配空间场景，我们开展大量对比测试，选取市面主流工业化单晶硅电池，统一采用 1MeV 电子辐照基准条件开展抗辐照测试 —— 空间电池核心考核指标就是抗辐照能力，封装工艺可解决其他环境问题，但辐照衰减由电池本体材料结构决定，因此电子辐照测试是核心评判标准。
测试结果差异显著：常规 N 型硅电池经过标准电子辐照后功率衰减超 90%，基本完全失效；TOPCon 电池、P 型 TOPCon 电池、SpaceX 所用 PERC 电池辐照衰减幅度均偏大；我们自研 P 型异质结电池同等工况下衰减幅度更低，验证该技术路线具备空间应用可行性。
实物测试数据也印证该规律：我们将硅片厚度从 85 微米降至 75 微米、再减至 55 微米，相同辐照条件下功率衰减大幅下降，这也是超薄硅电池适配空间场景的核心逻辑。后续搭配新型复合材料体系，我们预期可进一步压缩辐照衰减幅度。为深度开展基础性能研究，我们充分依托国内航天试验平台，将自研电池样品送入空间站舱外开展暴露在轨试验，后期由航天员回收样品回地面深度表征分析，相关项目也获得多方科研支持。去年我们已分两批次送上空间站样品，今年回收检测；今年天舟十号货运飞船也搭载了新一批样品持续在轨验证，得益于我国航天科研试验体系不断完善。与此同时，神舟二十三号飞船搭载了尺寸更大的电池样品开展专项试验。这批在轨试验全部服务基础研发，持续优化电池综合性能、降低辐照衰减。现阶段我们自研电池效率领先 SpaceX 在轨 PERC 硅电池，后续依托在轨试验数据持续迭代优化。
接下来分享第二个核心研发难点：晶硅属于脆性材料，不管硅基电池还是砷化镓电池，电池片碎裂是全流程高频故障点。地面加工、火箭发射振动、卫星在轨姿态调整震颤，都会诱发裂片；砷化镓电池依赖锗基板，硅电池依托硅片基底，两者脆性断裂风险都很高。我们通过高速相机观测硅片受力形变，轻微弯折就会直接碎裂。光伏产线 98% 以上良率下，绝大部分不良品都来源于硅片裂片，自动化生产、装配环节极易出现破损。地面光伏组件普遍采用双玻封装，核心目的就是提升机械强度、保障 25 年使用寿命。同理，卫星在轨工况下，电池碎裂是影响可靠性的关键短板。我们针对硅片脆性断裂开展系统性机理研究：硅片基底要求原子级平整，但太阳电池为提升光吸收，会通过化学腐蚀在表面制备微米级金字塔织构，早年织构尺寸约 10 微米，当前优化至 2 微米左右，和可见光波长接近，最大程度降低表面光反射。我们重点研究这种金字塔织构和硅片脆性断裂的关联机理，结合仿真应力分析发现：硅片受力时，应力高度集中在金字塔织构谷底，谷底应力峰值是平面区域十倍以上；若对织构谷底做圆滑钝化处理，内部应力分布模型会彻底改变。
未做圆滑处理的硅片受力后呈现典型脆性直线断裂；织构谷底圆滑改性后，应力可均匀分散，形变应力曲线趋于平缓。基于这一机理，我们研发硅片边缘织构圆滑钝化处理技术，85 微米超薄硅片经过改性后具备弹塑性特征，大幅降低碎裂风险。
改性后电池片具备优异柔性，支持卷曲弯折，从根源解决地面加工、空间在轨裂片难题。单电池片最小弯折直径可控制在 15 毫米以内；集成组件弯折直径低于 5 厘米；重复卷曲一万次以上，电池转换效率无衰减，机械稳定性实现重大突破。
这项技术研发和临近空间装备开发形成双向技术支撑。我们前期开展长航时无人机、临近空间飞艇研制时，多次向李泓老师请教技术难题，整套系统最大瓶颈在于储能系统。想要实现 24 小时能量自平衡，储能系统指标要求极高，负载重量匹配前提下，理想储能能量密度需达到 500Wh/kg，现阶段技术很难达标。正是在临近空间装备应用场景中，我们发现硅电池效率达标但脆性裂片的痛点，进而攻关柔性化改性技术，相关成果反向赋能全空间光伏应用。
依托整套研发成果，2023 年我们刊发《Nature》封面论文，意义重大：自 1954 年单晶硅电池发明数十年以来，该领域从未登上《Nature》正刊封面，这也是首篇相关封面文章，足以证明技术独创性。成果发布后央视、央广等主流媒体均做专题报道，属于晶硅光伏领域颠覆性创新。同年，该技术斩获上海市技术发明一等奖。 太空光伏领域的研发是地面光伏、临近空间光伏、航天卫星光伏的连贯技术迭代路线：地面、临近空间装备适配 N 型硅电池，航天卫星场景需切换 P 型基底，目前我们已完成大量基础验证，逐步推进硅基电池在轨试验。
整体替代路线分为两步：现阶段先采用平面柔性 / 刚性基板硅电池，替代传统砷化镓电池，实现航天光伏大幅降本；长期规划研发卷轴式可收卷太阳翼。我国火箭运载舱体积、运载重量约束严苛，发射成本高昂，卷轴式太阳翼收拢后占用空间极小，能够进一步压缩发射综合成本。
目前我们牵头承担多项国家级、上海市重点攻关项目，覆盖单晶硅空间电池、叠层硅电池两大方向。2024 年我们参与上海市融创创新大赛，拿下空间信息赛道金奖；同年参加全国颠覆性技术创新大赛，全国数千个项目遴选，最终仅十项获评卓越奖（全国金奖），也是前四届赛事能源赛道唯一获此奖项项目，足以证明该技术面向航天空间场景的创新价值与落地潜力。从去年起，经过多年实验室研发，我们陆续开展卫星在轨实装验证。
去年 9 月，首颗搭载我们自研超薄 P 型异质结硅电池的卫星成功发射，经过半年多在轨稳定运行，电池各项性能指标表现平稳。
今年 3 月，中科院微小卫星创新研究院研制的轻舟低成本货运试验飞船发射，飞船上批量搭载我们硅基光伏产品，总计装配 9 块硅基体装板，总面积近 10 平方米，直接接入整星能源主系统，项目获得央视等多家媒体报道。 除此之外，我们联合沈阳自动化所，在轻舟飞船搭载一颗小型伴星，配套试验全套卷轴式柔性太阳翼机构，一方面为伴星供电，另一方面验证卷轴收卷结构在轨可行性，是极具价值的工程试验。
以上就是本次报告全部内容，做一个简单总结：卫星互联网、空间算力星座快速发展，马斯克也提出万星级算力星座规划，未来卫星发射规模、空间算力基础设施建设会持续提速，市场需要大面积、高功率太空光伏产品，单星太阳翼功率迭代速度持续走高，光伏总需求量会快速扩张。仅依靠现有三五族砷化镓电池，原材料供给、成本都无法支撑海量卫星组网需求，硅基太空光伏迎来重大发展机遇。但落地过程中仍存在大量技术挑战，国内航天领域的制约因素更突出：一是硅电池转换效率仍低于砷化镓；二是辐照功率衰减控制有待进一步优化；三是传统空间光伏封装结构压缩成本空间有限，需要从电池本体、封装体系同步革新，兼顾低成本与高可靠性，还有大量工程难题待攻克。同时国内火箭运载能力、卫星平台控制技术和 SpaceX 存在明显差距，挑战更为突出。
我们希望联合各行各业相关企业，打通基础研究、工程应用全链条联合开发，目前已经和多家产业链单位建立合作，加快硅基太空光伏规模化在轨应用落地。我的报告到此结束，谢谢大家！
《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》
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