经历5000次热循环后性能依旧稳定，这种柔性光伏阵列凭什么扛住极端太空环境？

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研究瓶颈

太空柔性光伏阵列在空间环境中服役时，传统刚性保护玻璃虽具备抗辐射能力，却严重限制了阵列的卷曲半径，难以有效压缩发射体积与重量。

若改用普通透明聚合物进行封装，剧烈的空间环境会导致高分子化学键断裂并产生自由基，进而在表面形成微裂纹与内部发色团，造成光学与机械性能迅速衰退，无法满足长期服役的稳定性要求。

此外，薄膜型太阳能电池薄化后的背面辐照效应，以及互连金属材料在原子氧侵蚀与热循环下累积的疲劳损伤，均会导致阵列电气性能与结构的严重退化。

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研究方法与解决路径

为克服封装可靠性问题与体积限制，研究团队针对基于锗（Ge）晶圆薄化技术制备的柔性III-V 族多结太阳能电池（包含GaInP 顶电池、GaAs 中电池与 Ge 底电池），开发了一套一体化柔性封装方案。

该设计采用具有可调控特性的赝晶玻璃（PMG）作为顶部封装层，并结合纤维增强聚酰亚胺（PI）作为柔性基板，彻底去除了厚重的刚性玻璃与铝蜂窝结构。

团队利用有限元分析（Abaqus）研究电池组件在不同卷曲半径与排布方向下的机械应力分布，据此优化阵列设计以规避电池破裂风险。

随后通过 AM0 光谱测量验证封装后的光电性能，并开展了包含紫外辐射、原子氧侵蚀、质子与电子加速器辐照以及极端温度热循环在内的系列空间环境考核实验。

最后，针对低地球轨道（LEO）与地球同步轨道（GEO）建立辐射粒子通量预测模型，进一步调整 PMG 与 PI 的厚度参数，以在防护能力与重量之间取得最优平衡。

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核心研究成果

．大幅降低发射质量：成功制备有效面积为0.12 平方米的标准模组柔性阵列，其比功率达 400 W/kg、面密度仅 0.65 kg/m²，显著优于传统刚性面板。

．全角度发电增益：封装后受益于 PMG 内部微小玻璃珠的光散射效应，阵列在 10° 至 170° 宽角入射条件下的总发电量较刚性面板提升 10.4%。

．优异的空间环境耐受性：经历 2500 ESH 紫外辐照、高通量原子氧侵蚀与 5000 次热循环后，短路电流保持率均维持在 98% 以上，且未出现结构脱层。

．面向轨道的轻量化定制设计：针对 LEO 与 GEO 优化厚度参数后，柔性阵列较传统刚性面板分别减重 56.7% 与 39.4%，同时保证了20 年与 15 年的设计服役寿命。

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研究团队与期刊信息

该研究由哈尔滨工业大学与天津电源研究所等团队合作完成，通讯作者为 Zhao Huiyang 与 Wu Yiyong。研究成果发表于光伏领域期刊《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》。

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表征分析

柔性阵列弯曲应力模拟与电致发光（EL）分析
为评估柔性阵列在发射前卷曲收纳阶段的可靠性，研究团队利用 Abaqus 软件模拟了阵列在 50、75 与 100 mm 直径轴心上的应力分布。

模拟结果表明，当阵列沿互连线方向（x 方向）卷曲时，由于焊点的约束作用，电池中心应力显著集中；当轴心直径降至 50 mm 时，电池中心与互连线的应力分别增加 62.9% 与 103.1%。

相反，沿非电极侧（y 方向）卷曲时，主应力方向平行于焊点，应力分布更均匀，中心应力降低 37.7%。

电致发光（EL）测量印证了上述规律：x 方向在 50 mm 轴心卷曲后出现明显裂纹，导致短路电流与填充因子下降；而 y 方向卷曲后结构完好，证实了优化排布方向对机械可靠性的重要影响。

AM0 稳态输出与全角度发电测量
研究团队在 25°C、AM0 模拟光源条件下测量了阵列封装前后的 J-V 与 P-V 曲线，以评估 PMG 对电气输出的影响。

测量结果显示，封装后短路电流小幅下降 2.43%，开路电压维持在 7.98 V。透过率测量表明，PMG 在 300 至 1800 nm 波长范围内的平均透射率为90.56%。

由于 PMG 具备由高折射率玻璃珠与硅橡胶基质构成的复合结构，该材料具有独特的光偏折效应，能够将大角度入射光导入底层太阳能电池。

全角度输出测量结果显示，在 10° 至 170° 范围内，柔性阵列的累积发电量比传统刚性玻璃封装阵列高出 10.4%。该特性有效弥补了无太阳跟踪机构航天器的发电需求，使阵列在非垂直光照条件下仍能保持较高的能量转换效率。

紫外（UV）辐射与原子氧（AO）暴露老化测试
针对低轨道与高轨道常见的光学退化问题，研究团队分别开展了 2500 ESH紫外辐照与 2×10²¹ atoms/cm² 通量的原子氧暴露实验。

经紫外辐照后，阵列短路电流维持在初始值的 98.21%。透射光谱分析显示，PMG 的光学衰减主要集中在 350 至 650 nm 区间，对应 GaInP 顶电池的外量子效率（EQE）出现一致的微幅下降，但整体影响有限。

在原子氧暴露测试中，显微图像清晰显示 PMG 封装层有效保护了底部银互连线材料免受高能氧原子侵蚀，短路电流保持率达 98.97%，优于传统无色聚酰亚胺（CPI）封装的衰退水平，证明 PMG 封装方案能够延长阵列服役寿命。

高能粒子辐照损伤分析与热循环测试
为评估抗辐射性能与热稳定性，研究团队采用 200 keV 质子与 1 MeV 电子加速器进行辐照，并辅以 -150°C 至 150°C 共 5000 次热循环考核。SRIM 软件模拟与实验结果表明，200 keV 质子的最大入射深度仅为 3.5 μm，完全被 PMG 阻挡，未进入太阳能电池，短路电流仅受到微小的光学透射损失影响。

在 1 MeV 电子辐照下，高能电子虽能穿透 PMG，但 PMG 有效降低了入射电子的动能，减少了多结太阳能电池内部的非电离能量损失（NIEL）；同时，高分子交联反应使 500 至 1800 nm 透射率提升 2.16%，最大功率衰减幅度明显小于无保护层的裸电池。

热循环测试结果显示，经过 5000 次高低温交替后，阵列各项电气参数基本无变化，且未发生结构脱层，归因于 PMG、柔性太阳能电池与 PI 基板三者之间良好的热膨胀系数（CTE）匹配设计。

轨道环境粒子通量谱建模预测
为进一步优化阵列设计，研究团队采用 AP9/AE9 与 JPL91 辐射规范模型，计算了 LEO 与 GEO 轨道上的质子与电子差分通量谱。分析指出，低地球轨道与地球同步轨道存在大量低能带电粒子，可通过调整 PMG 与 PI 厚度加以有效屏蔽。经由**位移损伤剂量（Dd）计算与实验数据拟合，确定了 **LEO（PMG 70 μm + PI 100 μm）与 GEO（PMG 120 μm + PI 150 μm）的专用厚度参数。

寿命预测曲线显示，经优化的柔性阵列在 LEO 服役 20 年后最大功率保持率为95.07%，在 GEO 服役 15 年后为 80.83%，在满足严格空间服役标准的同时，有效降低了不必要的重量负担。

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总结

该研究建立了一套基于赝晶玻璃（PMG）与聚酰亚胺基板的一体化太空柔性太阳能阵列封装方案，解决了传统刚性面板体积大以及聚合物材料易受空间环境退化等核心问题。

测量与仿真数据表明，该封装方案实现了显著的轻量化效益与全角度发电增益，并可针对特定卷曲受力状态进行排布优化以避免结构破裂。

在原子氧、紫外辐射、带电粒子与极端热循环等严苛考核条件下，PMG 表现出稳定的光电保持率与防护能力。

结合轨道环境建模进行厚度优化后，该阵列发射质量最多可降低 56.7%，为未来高功率大型航天设施的能源供给提供了可靠的工程解决方案。