太空太阳能电池 是为从近地轨道 (LEO) 到深空任务等各种轨道上的卫星和航天器提供动力的基石。在众多可用技术中，砷化镓 (GaAs) 太阳能电池以其高效率、卓越的耐辐射性和出色的功率重量比而脱颖而出。然而，在砷化镓技术中，航天器工程师和任务规划者面临着一个关键的设计选择：柔性太阳能电池与刚性太阳能电池。柔性和刚性砷化镓太空太阳能电池都具有独特的优势和局限性，影响卫星设计、发射配置、发电能力和任务成功。
砷化镓 (GaAs) 太阳能电池采用化合物半导体，与传统硅太阳能电池相比具有明显的优势，尤其是在太空环境中。多结（通常是三结）砷化镓太阳能电池层叠不同的半导体材料，以有效捕获更广泛的太阳辐射光谱。这种设计的转换效率通常超过 30%，并且具有出色的抗空间辐射损伤能力。
GaAs 电池的高效率和耐用性使其成为全球许多卫星任务的首选，从通信和地球观测卫星到探索性深空探测器。它们可以在太空中经历的强烈紫外线辐射和极端温度循环下可靠运行。
在砷化镓系列中，太空太阳能电池有两种主要结构形式：刚性和柔性。
刚性砷化镓太阳能电池是在固体、非柔性基底（通常是锗 (Ge) 或其他半导体晶片）上制造的，该基底提供机械支撑和导电。这些电池通常安装在带有玻璃或石英盖玻璃的刚性面板上以进行保护。
机械稳定性： 其坚固的结构提供了出色的结构完整性，有助于保持优选的太阳能电池方向并降低发射和部署过程中的损坏风险。
高效率： 刚性基板以很小的应变支持复杂的多结架构，从而更大限度地提高转换效率。
耐辐射性： 即使长时间暴露在带电粒子和宇宙射线下，刚性砷化镓电池仍能保持高性能。
热管理： 实心面板有利于散热，更大限度地减少可能降低太阳能电池性能的热点。
重量和体积： 与柔性面板相比，刚性面板更重、体积更大，这可能会影响航天器的质量预算和发射成本。
有限的折叠/部署选项： 由于刚性面板缺乏灵活性，需要仔细的包装和部署机制，从而增加了任务的复杂性和风险。
制造成本： 使用高质量盖板玻璃和基板生产刚性多结电池的成本可能很高。
刚性砷化镓太阳能电池非常适合具有足够空间容纳太阳能电池阵列的大型卫星和需要较长使用寿命的任务，例如地球静止轨道 (GEO) 通信卫星、气象卫星和深空任务。
柔性砷化镓太阳能电池构建在超薄基板或薄膜上，允许电池弯曲、折叠或滚动，而不会损坏其脆弱的半导体层。材料科学的进步使柔性砷化镓电池具有具有竞争力的效率和耐用性，开辟了航天器设计的新领域。
轻薄： 消除厚的刚性基板可以大大减轻重量，有利于航天器的质量限制。
一致性： 柔性电池可以集成到弯曲或不规则的航天器表面上，从而提高设计自由度。
紧凑的装载： 折叠或卷起太阳能电池阵列的能力允许更紧凑的有效载荷包装和更小的运载火箭整流罩。
快速部署： 灵活的阵列可以通过更简单的机制快速部署，降低任务复杂性和潜在的故障点。
机械脆弱性： 这些电池虽然灵活，但需要保护性封装，以防止微流星体、紫外线降解和热应力。
热管理： 更薄的基板会使散热更具挑战性，从而可能增加热点风险。
效率上限较低： 尽管正在迎头赶上，但由于基板和封装的妥协，柔性砷化镓电池的更大效率通常略低于刚性同类电池。
辐射屏蔽： 可能需要额外的层才能达到与刚性电池相当的辐射硬度，这可以抵消重量的减轻。
柔性砷化镓太阳能电池在小型卫星 (SmallSats)、立方体卫星以及具有严格质量和体积限制或非常规外形尺寸的任务中越来越受欢迎。它们的适应性也使它们对于可部署的太阳帆和具有模块化太阳能电池阵列的空间站具有吸引力。
特征 |
刚性砷化镓太阳能电池 |
柔性GAAS太阳能电池 |
机械结构 |
固体、非柔性基底（例如 Ge） |
薄的、可弯曲的基材或薄膜 |
重量 |
由于基材和玻璃而较重 |
重量轻，基材重量很小 |
效率 |
通常为 31-32% 或更高 |
略低，28-31%，取决于设计 |
耐辐射性 |
出色，厚基材固有的 |
很好，但可能需要额外的屏蔽 |
热管理 |
更好的散热 |
由于薄而更具挑战性 |
部署 |
需要复杂的铰链/部署系统 |
可以轻松折叠、卷起或贴合 |
包装体积 |
更大的刚性面板 |
紧凑、可折叠，可高效存放 |
应用适用性 |
GEO 卫星，长期任务 |
SmallSats、CubeSats、可部署阵列 |
成本 |
制造成本较高 |
通过可扩展的生产可能降低成本 |
使用柔性或刚性 GaAs 太空太阳能电池的决定取决于与卫星任务概况和设计限制相关的几个因素：
对于长期的 GEO 或强辐射的深空任务，刚性 GaAs 电池可提供卓越的耐用性和稳定的功率输出。
对于中短期低地球轨道任务，尤其是涉及小型卫星的任务，灵活的砷化镓电池可提供足够的性能，同时节省更多的质量和体积。
质量限制不太严格的较大卫星受益于刚性太阳能电池板的机械鲁棒性。
具有严格质量和体积限制的立方体卫星和小型卫星从灵活阵列的轻质、紧凑特性中获得了巨大的优势。
如果您的航天器可以容纳复杂的机动太阳能电池板部署系统，则可以有效地使用刚性电池板。
当部署的简单性和可靠性是首要考虑因素时，柔性太阳能电池提供简单的折叠或滚动部署选项，从而降低机械风险。
具有严酷热循环的任务有利于刚性太阳能电池阵列的热稳定性。
柔性阵列可能需要额外的热设计考虑，但可以使用保护涂层和散热器进行设计。
很近的突破解决了柔性 GaAs 电池的许多局限性：
改进的封装： 多层阻隔薄膜可保护柔性电池免受太空环境恶化的影响。
增强的辐射屏蔽： 集成轻薄的抗辐射材料可延长柔性电池的使用寿命。
更高效率的设计： 新的制造技术缩小了与刚性电池的效率差距，目前在某些情况下可实现超过 30% 的效率。
模块化太阳能电池阵列： 灵活的电池可以组装成针对不同卫星几何形状和电力要求定制的模块化阵列。
刚性砷化镓太阳能电池：
许多 GEO 通信卫星（例如北斗或国际海事卫星组织中的卫星）依靠刚性砷化镓阵列来实现连续高功率运行和超过 15 年的寿命。
柔性砷化镓太阳能电池：
为地球观测或技术演示而发射的立方体卫星任务经常使用柔性砷化镓阵列来更大限度地提高功率，同时更大限度地减少发射质量和体积。
柔性和刚性 GaAs 空间太阳能电池 在现代卫星电源系统中发挥着重要作用。它们之间的选择应该由特定任务因素驱动，例如轨道环境、任务持续时间、航天器设计限制和部署机制。
刚性砷化镓电池 擅长为具有挑战性的轨道上的大型、长期任务提供持久、高效和稳定的电力。
灵活的砷化镓电池 以其轻质、紧凑和适应性强的形式支持创新的卫星设计，使其成为小型卫星、立方体卫星以及质量和体积限制的任务的理想选择。
通过了解这些权衡，卫星设计者和任务规划者可以选择优选的太阳能电池技术，以更大限度地提高任务的成功率和效率。有关先进 GaAs 太阳能电池（包括柔性和刚性选项）的更多信息，请探索上海 YIM 机械设备有限公司等行业领导者的产品。他们的专业知识和可定制的太阳能解决方案可帮助航天器满足当今和未来太空任务的严格要求。
