01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：From AM0 to GW: Technological Leap and Stellar Voyage of Space Photovoltaics

作者：Junhao Chu*

推送导读：

随着低轨星座的快速部署与世界主要航天国家太空资源开发力度的加大，人类迈向太空的步伐空前加速，而能源供给已成为决定任务成败的关键命脉。与地面光伏（辐照环境AM1.5）不同，空间太阳能电池在AM0辐照环境下工作，需直面高能粒子辐射、原子氧侵蚀与极端温度循环等严苛考验，对效率、重量、寿命与可靠性提出了极高要求。

中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所褚君浩研究员在专刊发表单独署名文章“From AM0 to GW: the Technological Leap and Stellar Voyage of Space Photovoltaics”，对空间光伏自单体电池到GW级空间电站的技术演进，进行了系统性的文献回顾，梳理了关键技术路径、空间环境下的退化机制与防护策略，以及大规模空间电站面临的应用挑战。

一、简要介绍

空间光伏，是指在空间环境（AM0）中利用太阳光发电的技术体系。它并非单一器件，而是一条从单体太阳能电池出发、涵盖多结电池、薄膜电池、柔性可弯曲电池，直至聚光与大规模空间电站的完整技术谱系。其中，AM0表示大气层外太阳辐照条件，其光谱更宽、功率密度更高，也意味着更严酷的空间环境考验。该综述从低轨星座建设与太空资源开发带来的能源需求出发，回顾空间光伏从单体多结电池到GW级空间电站的技术谱系，系统梳理III-V多结、硅基/钙钛矿、新兴薄膜与柔性三条技术路径的进展，并对不同路径进行系统比较，剖析太空环境对器件的“七重考验”与防护策略，最后对大规模空间太阳能电站的工程挑战，以及未来五到十年可能的技术突破进行分析和预测。

图 1. 空间光伏概念图

二、重要进展与研究趋势

2.1 多结电池：太空光伏的“压舱石”

在众多技术路线中，III-V族多结电池最为成熟，长期占据高轨卫星与深空探测的主导地位。传统三结电池以InGaP/GaAs/Ge结构为基础，通过精确调控带隙与晶格匹配实现高质量外延生长。近年来，倒置IMMJ技术颠覆了多结电池“窄带隙到宽带隙”的常规生长顺序，同时实现衬底剥离，突破了晶格匹配的束缚。在聚光条件下，六结III-V电池已实现47.1%的转换效率（143倍太阳聚光），展现了多结体系逼近理论极限的潜力。刚性及半刚性组件比功率已相当可观，使其成为高可靠任务的“压舱石”。

2.2 低成本路径：硅基与钙钛矿的崛起

多结电池的昂贵外延生长与稀缺前驱体，使其难以满足大规模部署的成本诉求。硅基与钙钛矿路线由此崛起。传统晶硅电池在太空高能粒子辐照下存在表面复合与辐射退化问题，而硅异质结（HJT）电池借助本征非晶硅钝化显著改善了这一点。更具想象力的，是钙钛矿——其带隙可在1.1–2.4 eV连续可调，为叠层电池的谱段利用提供绝佳基础；单结钙钛矿电池实验室效率已逼近28%，与晶硅理论极限比肩；钙钛矿/硅叠层电池显示出更高的认证效率，并展现出优异的弯折与热循环耐久性。低成本、可溶液加工，使钙钛矿成为大规模空间光伏的有力竞争者。

2.3 新兴薄膜与柔性：轻量化革命

追求更轻、更柔，是降低发射成本的根本路径。铜基薄膜（CIGS、CZTSSe）可于柔性衬底上通过溶液或溅射工艺制备，其中CZTSSe不含稀土与重金属、化学稳定性优异，中国科学院物理所与青岛能源所团队相继取得效率突破。CdTe薄膜具备直接带隙与成熟产业基础，单结效率已超过23%。最令人惊喜的，是有机光伏（OPV）——其活性层仅需约100 nm即可吸收90%光子达到21%的光伏效率，且有机材料具有本征柔性，天然适配轻量化，电池理论比功率可超过1000 W/kg；美国伊利诺伊理工学院Brus等人的系统研究更挑战了“有机材料辐射敏感”的成见，揭示活性层厚度对质子辐照耐受性的关键影响。量子点光伏（QDPV）则凭借可调带隙，在单一材料体系内实现从可见到近红外的宽带响应。从刚性到柔性聚合物或金属箔衬底，将电池减薄并集成轻量封装，正推动比功率的“双重突破”。

2.4 太空环境的“七重考验”与防护之道

空间光伏的可靠性，是一场与环境的持久博弈。据NASA马歇尔空间飞行中心归纳，太空环境可归纳为等离子、辐射、热波动、紫外、原子氧、高真空、微流星与空间碎片七类关键因素。其中，位移损伤由高能粒子撞击晶格原子、产生空位与间隙缺陷所致，充当载流子陷阱与非辐射复合中心；电离效应则主要作用于界面与光学层。

防护因此成为“易忽视却关键”的环节：盖片同时承担屏蔽、透镜与钝化多重角色，传统掺铈玻璃是航天级成熟方案，而透明聚合物（聚硅氧烷、无色聚酰亚胺CPI、ETFE）正响应柔性轻量需求；表面钝化与抗反射涂层协同提升稳定性与效率；热循环管理直面近地轨道每约90分钟一次、温度在-150 °C至120 °C间剧变的挑战，通过降低层间热膨胀系数差或引入柔性缓冲机制应对。随着规模扩大，热管理更从局部互连可靠性上升为系统级排热的工程难题。

2.5 迈向GW级：大规模空间电站的工程挑战

当应用走向GW级空间太阳能电站，光伏面积将达数千乃至数百万平方米，远超现有在轨结构的展开能力，原位组装与自修复成为必然范式，但要走通“实验室样机→工程应用”仍面临多重挑战；有机光伏凭借百纳米级超薄活性层，被视为超高比功率的优选。与此同时，自修复概念从封装层延伸至电池材料本身——悉尼大学与密歇根大学团队独立发现钙钛矿与小分子有机光伏在辐照后的自修复迹象；但也有研究警示，钙钛矿中使自修复成为可能的晶格软性与强电子-声子耦合，也可能放大辐射损伤，宜审慎对待。大规模应用的另一核心矛盾，是高效率与低成本制造的权衡——从实验室效率到产业放大，本质是材料科学、制造工艺与工程经济学的三方博弈。

2.6 未来五到十年：技术突破的预测

展望未来，薄膜工艺的进步将使柔性III-V多结电池实现低成本量产，单位成本有望降至当前的五分之一，比功率突破500 W/kg，从而升级星座与深空任务的动力系统。综述判断，空间光伏正经历深刻转型：它不再只是供电附件，而是决定人类能否实现长期在轨驻留与深空探索的战略核心技术。

三、总结展望

这篇文章系统梳理了从AM0严苛环境、III-V多结的成熟范式，到硅基/钙钛矿与新兴薄膜的低成本突围、柔性轻量化革命，再到GW级空间电站的工程挑战与自修复前瞻的完整逻辑，不仅是对空间光伏十余年发展的回顾与总结，更是对人类迈向太空能源时代技术路线的前瞻性指引。

正如太空探索所承载的“星辰大海”之志，空间光伏的每一次效率跃升与重量削减，都在为人类在轨驻留与星际远航积累着最基础的动力。褚君浩院士以深厚的光电子学造诣与战略视野，为这一关乎未来能源格局的领域提供了系统的学术地图与清晰的发展方向。

03 论文信息

论文信息

Junhao Chu. From AM0 to GW: Technological Leap and Stellar Voyage of Space Photovoltaics,[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.08.002

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From AM0 to GW: Technological Leap and Stellar Voyage of Space Photovoltaics

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊丨褚君浩院士：太空光伏——技术跃迁与星辰征途

04 作者简介

褚君浩 教授

褚君浩，半导体物理和器件专家，中国科学院院士，中国科学院上海技术物理研究所研究员，复旦大学光电研究院院长，Materials Today Electronics主编，曾任第八届中国科学院学部主席团成员，第十、十一届全国人大代表，上海市政府参事、上海市科协副主席等。长期从事红外光电子物理和半导体研究以及新型光电子器件和学科交叉研究。获得国家自然科学奖三次、部委级自然科学奖或科技进步奖16次。发表学朮论文800余篇，专利100项，中英文专著6部，编著10余部。2014年评为十佳全国优秀科技工作者，2017年获首届全国創新争先奖章；2025年获上海市科技功臣奖。

05 Green Carbon

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