砷化镓电池与钙钛矿叠层电池在未来太空电池中的前景分析

一、核心结论

在未来太空电池中，钙钛矿叠层电池（尤其是柔性钙钛矿） 比砷化镓电池更具前景，主要基于其轻量化、低成本、高比功率的优势，完美匹配商业航天（如低轨卫星星座、太空算力）对“高效、轻质、低成本”的能源需求。尽管砷化镓电池目前仍是高轨/深空探测的主流，但钙钛矿叠层电池的长期潜力（如规模化部署、成本下降）使其成为未来太空能源的革命性解决方案。

二、性能对比分析

1. 转换效率：钙钛矿叠层潜力更大

砷化镓电池：当前商业化的三结砷化镓电池转换效率约30%-33.5%（AM0光谱下），四结电池可达33.5%，但提升空间有限。





钙钛矿叠层电池：理论转换效率可达45%（单结钙钛矿约33%，叠层后更高），实验室已实现30.1%的效率（刚性）、27.5%（柔性），且通过组分优化（如混合阳离子、卤素），效率仍在提升。



2. 抗辐射性：钙钛矿通过技术优化已接近砷化镓

砷化镓电池：天生抗辐射能力强，能承受高能粒子冲击，适合高轨辐射环境。





钙钛矿电池：早期对辐射敏感，但通过自修复材料（如混合阳离子配方）、全无机电荷传输层（如NiOx、SnO₂）及叠层结构（宽禁带钙钛矿作为顶电池屏蔽辐射），抗辐射性能已显著提升。例如，仁烁光能的柔性钙钛矿叠层电池在模拟高空环境（强辐射）下，效率衰减远低于单结器件。



3. 重量与比功率：钙钛矿优势显著

砷化镓电池：传统刚性砷化镓电池比功率约0.4-1 W/g，即使柔性化后，比功率仍较低（约3.8 W/g）。





钙钛矿电池：柔性钙钛矿薄膜重量仅为晶硅的1%，比功率可达5-10 W/g（实验室最高23-30 W/g），意味着在相同功率下，钙钛矿组件重量是砷化镓的1/10-1/20，能大幅降低发射成本（如每公斤发射成本超2万美元）。



4. 长期稳定性：钙钛矿通过封装与材料优化逐步解决

砷化镓电池：稳定性好，设计寿命15-20年，适合高轨卫星。





钙钛矿电池：早期存在热循环（昼夜温差-150℃至+120℃）、真空放气（有机组分升华）等问题，但通过先进封装（如原子层沉积Al₂O₃/SiO₂涂层、柔性复合屏障）、自修复材料（如过量卤化物储备），稳定性已大幅提升。例如，仁烁光能的柔性钙钛矿叠层电池经过16次冷热循环（-85℃至+20℃），效率未明显衰减；尚翼光电的钙钛矿电池通过封装优化，已能满足低轨卫星5-7年的寿命需求。



三、性价比分析

1. 制造成本：钙钛矿远低于砷化镓

砷化镓电池：制造成本约70美元/瓦（约490元/瓦），主要因原材料（镓、砷）稀缺、工艺复杂（MOCVD外延）。





钙钛矿电池：量产后成本有望降至2美元/瓦（约14元/瓦），主要因原材料（碘化铅、甲脒）丰富、工艺简单（溶液涂布/印刷）。



2. 发射成本：钙钛矿因轻量化大幅降低

砷化镓电池：发射成本按重量计算（如SpaceX发射成本约2万美元/公斤），刚性砷化镓电池重量大，发射成本高。





钙钛矿电池：柔性钙钛矿可折叠收纳，重量仅为砷化镓的1/10-1/20，发射成本大幅降低。例如，低轨卫星采用钙钛矿电池，发射成本可降低50%以上。



3. 应用场景适配性：钙钛矿更匹配商业航天需求

砷化镓电池：适合高轨卫星（如通信卫星）、深空探测（如火星车），因这些场景对成本不敏感，但对可靠性、寿命要求高。





钙钛矿电池：适合低轨卫星星座（如Starlink、千帆星座）、太空算力平台（如Starcloud），因这些场景对成本、轻量化敏感，且寿命要求较低（5-7年）。



四、前景展望

短期（1-3年）：砷化镓电池仍主导高轨/深空探测，钙钛矿电池在低轨卫星（如立方星、纳米卫星）中试点应用。





中期（3-5年）：钙钛矿叠层电池（如钙钛矿/晶硅叠层）将成为低轨卫星的主流，因成本、轻量化优势明显。





长期（5-10年）：钙钛矿电池将主导商业航天（如低轨星座、太空算力），甚至可能替代砷化镓成为高轨卫星的主流，因技术成熟后，稳定性、寿命可达到高轨要求。



五、总结

钙钛矿叠层电池在未来太空电池中更具前景，主要因轻量化、低成本、高比功率的优势，完美匹配商业航天对“高效、轻质、低成本”的能源需求。尽管当前砷化镓电池仍是高轨/深空探测的主流，但钙钛矿的长期潜力（如规模化部署、成本下降）使其成为未来太空能源的革命性解决方案。随着技术的进一步成熟（如稳定性提升、大面积组件量产），钙钛矿电池有望成为未来太空电池的核心选择。