太阳能电池在极端条件下工作远远超出了地球大气层。他们面临着强烈的辐射，温度波动和真空，而基于地球的太阳能电池板则处理天气，灰尘和变化的阳光。工程师为每个环境选择材料和设计。这些选择会影响每个系统可以产生多少能量以及它们持续多长时间。了解这些差异有助于推动太阳能技术的进步。
太阳能电池 使用先进的材料和设计来生存诸如辐射和真空之类的恶劣条件，而地面面板则集中于天气抵抗力和负担能力。
太阳能电池可实现更高的效率和连续的功率，但由于复杂的材料和发射费用而成本要高得多。
地球太阳能电池板面临着天气，灰尘和污染的挑战，但是定期维护和改进的设计有助于保持其性能。
耐用性是关键：空间单元在极端的压力下持续很长时间，而土面板则具有25年或更长时间的保修，以确保可靠的能源。
太空技术的创新通常改善基于地球的面板，推动全球家庭和企业的清洁能源进展。
太阳能电池 为卫星，太空站和深空探头。这些细胞必须在辐射，极端温度和真空条件挑战其性能的严峻环境中起作用。自1950年代以来，工程师已经改善了这些细胞以满足太空任务的需求。在贝尔实验室开发的第一个硅太阳能电池使Vanguard 1卫星在1958年使用太阳能。随着时间的推移，随着时间的推移，多型单元和超重重量级材料等新设计的效率提高了，重量降低。
市场研究，例如太空太阳能市场规模，份额，增长报告，表明技术趋势包括高级Rectenna设计和碳纤维复合材料。这些报告凸显了人们对太空太阳能的日益兴趣，预测预测，到2040年，市场增长从2030年的47亿美元增长到68亿美元。利益相关者包括政府机构，国防，商业公司和技术开发商。
时期 |
里程碑/事件 |
对太空电池的影响 |
对基于地球的太阳能电池板的影响 |
|---|---|---|---|
1950年代 |
贝尔实验室开发的硅太阳能电池 |
启用了像先锋1这样的早期空间任务 |
标志着重大效率和耐用性的提高 |
1950年代末 - 1960年代 |
太阳能支持的早期空间探索任务 |
证明了卫星的生存能力 |
在偏远地区用于电信和水泵 |
1970年代 |
能源危机刺激了对太阳能研发的投资 |
有限的直接影响；仍然是探索性的 |
提高效率和成本，提高了采用 |
1974 |
美国太阳能研究法 |
N/A。 |
加速技术开发和采用 |
基于地球的太阳能电池板为房屋，企业和公用事业提供清洁能源。这些面板面临着天气，灰尘和变化的阳光等挑战。自1970年代以来，政府资金和研究已帮助降低成本并提高效率。 1974年的《美国太阳能研究法》在加速发展方面发挥了关键作用。如今，太阳能电池板使用先进的制造和材料在世界范围内提供可靠的电源。
最近的行业报告汇编了数十年的研究，显示了太阳能是如何从早期的离网用途增长，以广泛采用。这些报告还讨论了投资趋势，新技术以及太阳能在抵抗气候变化中的作用。专家指出，尽管太阳能太阳能仍然昂贵且复杂，但基于地球的太阳能电池板继续改善和扩大其影响力。
太阳能电池 使用先进的材料在空间的严峻环境中生存和执行。工程师经常为这些任务选择III-V多舞太阳能电池。这些细胞结合了几种化合物半导体，例如磷化镁磷脂（Ingap），砷化甲苯固体（GAAS）和也（GE）。每一层都捕获了阳光的不同部分，这有助于细胞达到很高的效率 - 有时在浓缩的阳光下最多可达47.1％。这些细胞薄，轻，甚至可以灵活。他们的设计使它们防止辐射和温度波动。制造过程是复杂且昂贵的，涉及金属 - 有机蒸气相外延等步骤。一些新设计使用由III-V材料制成的纳米线结构。纳米线太阳能电池可以处理辐射的10-40倍，而不是平面膜。纳米线使有害颗粒通过，从而减少损害并帮助细胞在太空中持续更长的时间。
地球上的大多数太阳能电池板都使用硅作为主要材料。硅太阳能电池由单一元素硅制成，该硅掺有少量其他元素，例如硼或磷。这个过程有助于细胞将阳光转化为电。硅面板之所以受欢迎，是因为它们可以便宜，并且易于生产大量。工程师通过添加新层或使用特殊处理（例如离子植入）来提高其性能来改善硅细胞。一些新的地球面板使用PERC或TOPCON技术。这些设计有助于面板的工作效果更好，持续更长的时间，但是它们对辐射的敏感性比太空单元更敏感。还研究了钙钛矿太阳能电池，但是它们需要对辐射硬度进行特殊测试，因为它们的结构比硅或III-V细胞柔软。
太阳能电池的设计选择取决于将使用它们的位置。空间太阳能电池必须轻巧，高效，并且能够在高水平的辐射中生存。工程师经常使用灵活或薄设计来节省火箭的重量。纳米线和多孔细胞有助于防止辐射，并使细胞工作多年。在地球上，太阳能电池板必须处理天气，灰尘和变化的阳光。设计师专注于使面板强大，易于安装和负担得起。它们添加了倾斜座和防护玻璃等功能，以帮助面板持续更长的时间。
测试标准在空间和地球之间也有所不同。科学家使用AM0标准来测试太阳能电池以进行空间。 AM0代表“空气质量为零”，这意味着阳光没有穿过地球大气层。该标准与用于接地面板的AM1.5标准（100.0 MW/cm²）相比，测量了更高的总辐照度（134.8 mW/cm²）。 AM1.5标准在美国中部中午通过大气模拟了阳光。这些差异很重要，因为阳光的频谱和强度改变了太阳能电池的工作方式。研究表明，使用错误的标准可能会导致高达10％的衡量性能错误。空间太阳能系统几乎可以一直接收阳光，而地面面板由于大气而损失了大约21％的能量，并且仅在白天才能阳光。
注意：基于空间的太阳能系统的太阳能曝光最多比地球上最好的位置高出三倍，但它们面临更高的发射和维护成本。
太阳能电池 必须在空间恶劣的环境中提供高性能。工程师使用几个关键指标来衡量其效率。这些包括填充因子（FF），开路电压（VOC）和短路电流（ISC）。填充因子表明，太阳能电池如何将阳光转化为可用功率。值通常在50％至82％之间。堆叠不同材料的多结细胞最多可以达到44％的效率。在浓缩的阳光下，一些先进的设计达到了创纪录的效率47.1％。
国家标准技术研究所（NIST）定期测试并校准这些细胞。他们的工作确保效率数量保持准确，即使细胞面临辐射和极端温度。在太空中，硅太阳能电池的效率通常略低（约14％），而其在地球上的性能（约16％）。但是，太空中较高的阳光意味着这些细胞仍然可以产生更多的功率。集中光伏系统将阳光聚焦在小型高效细胞上，可以进一步提高输出。
公制 /基准 |
描述 /值 |
|---|---|
填充因子（FF） |
50％–82％ |
多开关细胞效率 |
高达44％（浓度下47.1％） |
硅细胞效率（空间） |
〜14％ |
开路电压（VOC） |
取决于材料和温度 |
短路电流（ISC） |
与接收到的阳光成比例 |
特定功率（w/kg） |
航天器有效载荷所需的高值 |
辐射硬度 |
长期任务必不可少的 |
太阳能电池经常使用多开关设计来从太阳中捕获更多的能量。这些细胞在AM0光谱中很好地工作，该光谱与在地球大气层外发现的阳光相匹配。它们的高效率和耐用性使它们非常适合卫星和深空探针。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。它们的效率取决于电池的类型，天气和位置。大多数硅面板的效率在10.34％至14.00％之间，平均约为13.6％。像柏林这样的凉爽气候下的一些高级面板最多可达到17.1％。高温和灰尘可以降低效率，尤其是在迪拜这样的热门地方。在热带地区，高湿度和污染也降低了性能。
地区 |
地点 |
太阳辐射（kWh/m²/day） |
效率 （％） |
关键的环境因素 |
操作挑战 |
|---|---|---|---|---|---|
沙漠 |
迪拜 |
6.5 |
14.2 |
高温，灰尘积累 |
由于热量和灰尘而导致的效率损失 |
温带 |
柏林 |
3.0 |
17.1 |
凉爽的温度 |
尽管辐射较低，效率较高 |
热带 |
新加坡 |
N/A。 |
较低的年产量 |
高湿度（84％），云覆盖 |
水分和污染降低性能 |
研究人员使用计算机模型来预测面板在不同条件下的性能。这些模型表明，温度升高可以降低效率。冷却策略（例如更好的气流或特殊涂料）有助于使面板保持良好的效果。这些模型与制造商和实验的现实世界数据匹配，因此它们为改善太阳能电池板性能提供了有用的指导。
几个因素会影响太阳能电池在太空和地球上的工作状况。在太空中，工程师关心特定的功率（每公斤瓦），能量密度以及细胞抵抗辐射的能力。多开关单元具有高效率和特定功率，这有助于航天器节省重量和空间。薄膜太阳能电池（通常在地球上使用）现在正在适合太空任务。这些灵活的设计显示了未来航天器的希望。
在地球上，太阳能电池板必须处理变化的阳光，天气和污染。当面板太热或脏时，效率下降。在凉爽的气候下，即使阳光较弱，面板通常会更好。工程师使用性能比将实际输出与面板在理想条件下应产生的产品进行比较。这有助于他们找到改善系统设计和维护的方法。
提示：定期清洁和适当的安装可以帮助基于地球的太阳能电池板保持高效率，尤其是在尘土飞扬或潮湿的环境中。
太空和地球太阳能技术都在不断改进。工程师研究成本，体重，大小和效率之间的权衡，以找到每个环境的最佳解决方案。这些努力推动了卫星，房屋和企业的太阳能进展。
太空提供了太阳能技术的一些最恶劣的条件。 轨道中的太阳能电池 面对来自太阳的强烈辐射，包括电子和质子。温度可以从冷冻冷旋转到100°C以上。空间的真空消除了空气，这意味着没有防止紫外线（UV）射线或突然的热量变化。这些因素结合起来产生快速材料降解。微生物致死性实验表明，真空，太阳能加热和紫外线会导致强烈的环境应力。效果根据航天器的位置而变化。超越火星，真空和热量占主导地位。除了土星之外，仅真空成为主要挑战。在长期的任务中，航天器表面上的太阳能电池会接收高剂量的太阳能，从而导致更多的磨损。科学家致力于建模和改善太阳能电池如何抵抗辐射和温度极端。
真空，太阳能加热和紫外线一起起作用以降解材料。
辐射引起的伤害随着时间的推移降低了效率。
环境随着距离太阳的距离而变化。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。天气，污染和气氛都影响了面板的阳光多少。雨，雪和灰尘可以覆盖面板并挡住阳光。空气中的污染（例如烟雾或灰尘）降低了阳光的数量和质量。研究表明，污染改变了阳光传播的方式，从而使其不那么直接和弥漫。这降低了面板可以收集的能量。在城市，污染可以减少阳光小时并降低面板的性能。温度和风也起作用。高温可以使面板效率降低，而风可以帮助冷却。
污染降低了阳光并改变其质量。
雨水和雪地阳光等天气事件。
高温较低面板效率。
太阳能电池技术 |
温室气排放（G CO2EQ/kWh） |
关键的环境影响因素 |
制造环境影响 |
|---|---|---|---|
单晶硅（M-SI） |
37.5（欧洲）至88.7（中国） |
硅纯化的高能量输入；溶剂排放引起酸化 |
中国的煤炭电力增加了GHG多达80％的总影响 |
多晶硅（P-SI） |
与M-SI相似的趋势 |
铝制框架和聚合物层有助于排放 |
与中国相比 |
三尿酸镉（CDTE） |
研究类型中最低 |
降低能源和材料需求；由于镉引起的毒性较高 |
毒性问题通过简单的制造和较低的能源使用而平衡 |
工程师设计 太阳能电池可在其环境中生存 。在太空中，他们使用可抵抗辐射和极端温度的特殊材料。多开关单元和纳米线设计有助于防止损坏。这些细胞即使在轨道上几年后仍保持效率。在地球上，面板使用坚硬的玻璃和框架来处理天气。一些面板的涂料可以排除灰尘和水。冷却系统和更好的气流有助于防止面板过热。制造商还寻找在生产过程中降低温室气体排放的方法。他们在可能的情况下使用可回收的材料和清洁能源。
注意：太阳能电池的类型及其制造的地方可以改变其环境影响。使用较少的毒物质和回收利用可以帮助减少对地球的伤害。
太空中的太阳能电池必须在极端条件下存活。 NASA在国际空间站测试了钙钛矿太阳能电池10个月。这些细胞面临真空，辐射和温度波动。返回地球后，空间暴露的细胞显示出比在地面上测试的细胞较小的损害。一些人甚至恢复了吸收阳光的能力。这个结果表明 即使在严重的压力下，太空太阳能电池 也可以持续更长的时间并更慢地降解。工程师使用特殊材料和设计来帮助这些细胞抵抗辐射和温度变化。结果，卫星和太空探针可以依靠其电源系统多年。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。他们必须处理雨，雪，风和污染。制造商在长时间内将其暴露于热，湿度和阳光下，以测试耐用性。例如，西北大学的研究人员为钙钛矿太阳能电池创建了一个障碍层。在这种障碍的情况下，在全阳光下，在55°C下1,000小时后，细胞保持了90％的起始效率。没有障碍，细胞持续了不到200小时。大多数商业面板都使用硅，并提供持续25年或更长时间的权力保修。下表显示了25年后不同的品牌承诺有多少功率。
制造商 |
25年（％）后的电力保修 |
|---|---|
美国极性 |
80.6 |
生长素太阳能 |
80.7 |
Boviet太阳能 |
80 |
加拿大太阳能 |
83.1 |
确定太阳能 |
80 |
第一个太阳能 |
80 |
全球太阳能 |
80 |
LG |
90.8 |
松下 |
90.76 |
Q细胞 |
83 |
rec太阳能 |
86 |
卷发太阳能 |
83.6 |
日落 |
92 |
Trina Solar |
80.68 |
Winaico |
80.2 |
高质量面板每年损失更少的功率。有些人每年降级低至0.25％，而另一些人每年损失高达0.7％。
太空任务无法轻松修复或清洁太阳能电池。工程师设计这些细胞可以在没有帮助的情况下工作多年。他们使用可抵抗损坏的材料，即使在长期暴露于空间之后，也可以继续工作。在地球上，太阳能电池板需要定期护理。车主清洁面板以清除灰尘和碎屑。技术人员检查损坏并更换故障零件。良好的维护有助于面板持续更长的时间并产生更多的能量。一些新面板的涂料可以排斥水和污垢，使其更容易保持清洁。
太空任务的太阳能技术具有高昂的成本。将设备推向轨道仍然很昂贵。当前的发射成本约为每公斤2,700美元。新的火箭设计，例如SpaceX Starship，将来可能会将其降低至每公斤200美元。建立1吉瓦的太空太阳能电力系统可能需要10-200亿美元的初始投资。这些系统使用先进的材料，必须在恶劣的条件下生存，这增加了价格。政府和私人公司共同投资分享风险和奖励。资金来自NASA，欧洲航天局和中国等。这些投资有助于推动研究并随着时间的推移降低成本。太空太阳能项目的投资回报需要数十年，但专家认为，未来系统每美元的能源比今天提供的能源更多。
地球上的太阳能电池板的安装成本要少得多。由于批量生产和更好的技术，制造和安装变得更便宜。大多数房屋和企业都可以以几千美元的价格安装太阳能电池板。维护成本保持较低，因为面板持续了数十年，需要几乎不需要护理。政府的激励措施和补贴有助于使太阳能为家庭和公司负担得起。但是，能源输出取决于天气和日光，这限制了这些面板可以提供的功率。
空间和地面太阳能都具有独特的经济影响。下表比较关键方面：
方面 |
太空太阳能（SBSP） |
陆地太阳能 |
|---|---|---|
太阳能电池板效率 |
较高的效率（无大气损失） |
由于云和污染而降低 |
操作时间 |
〜99％的正常运行时间（连续阳光） |
〜25–30％（天气和日光依赖） |
传输效率 |
现在10-15％，可以达到50–80％ |
N/A。 |
降解率 |
<每年1％ |
每年0.5–1％ |
启动成本 |
$ 2,700/kg现在，可能$ 200/kg |
N/A。 |
初始资本成本 |
每GW $ 10– $ 200亿美元 |
较低，但供应是间歇性的 |
每次投资的能源输出 |
预计到2050年增加了10倍 |
基线 |
市场投影 |
到2040年，$ 50– 1000亿美元 |
成长，建立良好的 |
政府投资 |
NASA，ESA，中国 |
各种补贴 |
长期能源份额 |
到2070年，全球能源的20％ |
意义重大，但受到间歇性的限制 |
火箭技术，模块化卫星设计和无线功率传输的进步可以使基于空间的太阳能更实用和负担得起。公共和私人伙伴关系以及政府的支持，在使这些项目成为可能中发挥了关键作用。
太空任务依靠太阳能技术来获得电力。卫星，太空站和深空探针使用太阳能数组来运行其系统。一个重要的例子是Asgardia-1 Cubesat。这个小卫星使用了灵活的 高效太阳能电池。 来自Alta设备的这些电池提供了大约24瓦的功率，并轻松适应了立方体的结构。 Twiggs太空实验室，Space Space Punch和Nanoracks的团队共同努力，使这项任务取得了成功。太阳能电池处理了空间的挑战，例如辐射和设备的有限空间。此案例显示了太阳能电池如何帮助教育和商业任务实现其目标。
加州理工学院的2023年任务在太空中测试了一个新的太阳能电池阵列和微波发射机。该团队面临电缆和活动部件的问题，但是地面控制器使用摄像头和振动解决了这些问题。任务证明，基于太空的太阳能系统可以在实际条件下工作。这些测试可帮助科学家学习如何在将来构建较大的系统。
年 |
任务/项目 |
关键结果 |
|---|---|---|
2020 |
空军X-37B |
从太空中展示了微波功率横梁 |
2023 |
加州理工学院的部署 |
经过验证的功率光束和太阳阵列功能 |
在地球上，太阳能电池板电动房屋，学校和企业。人们用它们来降低能源费用并减少污染。太阳能农场向整个社区供电。便携式太阳能电池板在电源线未达到的偏远地区有帮助。许多城市在屋顶和停车场上使用太阳能电池板。这些面板必须处理天气，灰尘和变化的阳光。工程师不断改进设计，以使其持续更长的时间，并在不同的气候中更好地工作。
空间的创新通常可以改善地球上的太阳能技术。灵活的太阳能电池，首先用于卫星，现在出现在便携式充电器和建筑材料中。对辐射阻力的研究有助于使面板在恶劣的环境中更耐用。在太空中测试的无线功率传输有一天可以将太阳能从太空发送到地球。这些进步表明，太空任务如何为每个人带来清洁能源的进步。
太空任务激发了新的想法，并有助于使太阳能对世界各地的人们更可靠和负担得起。
太空太阳能电池板在非常不同的环境中工作。空间面板面对辐射和真空，而地面面板则处理天气和污染。科学家在国际空间站测试太阳能电池，以衡量它们在太空中的工作状况。报告显示，太空中的新技术可以帮助地球上的环境和经济。了解这些差异有助于工程师为未来建立更好的太阳系。
太阳能电池 使用稀有材料和高级设计。工程师必须对其进行辐射和极端温度测试。启动成本增加了价格。这些因素使太阳能电池比地球上使用的面板贵得多。
基于地球的面板无法在太空中生存。他们缺乏防止辐射和温度波动的保护。太空任务需要特殊的电池，以抵抗损坏并继续工作多年。
卫星和航天器具有严格的重量极限。较轻的太阳能电池有助于节省燃料并降低发射成本。工程师设计的空间单元要薄而强，因此它们满足了这些需求。
工程师使用AM0标准测试太阳能电池。他们将细胞暴露于实验室中的真空，辐射和温度波动。这些测试显示了细胞在轨道中的工作状况。
