东方财富证券-太空光伏产业深度研究报告

东方财富证券-太空光伏产业深度研究报告

1 太阳翼：卫星供能“心脏”，大型化、柔性化趋势下具备抗通缩属性

太空供能方案选择有限，光伏为主流选择。太空电源系统因使用环境极为特殊，往往面临着极端的温度变化、压力和强辐射，因此对于电源有很高的要求。太空电源系统包括一次性电源、核电源、燃料电池、太阳电池阵-蓄电池组电源系统等。目前，太阳电池阵-蓄电池组电源系统是绝大多数在轨航天器使用的电源系统类型。

太空空间阳光辐射、日照时长优于地面，年辐照资源总量数倍于地面。相较于地面，在太空环境中太阳辐照不会受到大气层吸收、散射影响，太阳辐照强度从地面1000w/m2（AM1.5）提升至1367w/m2（AM0）。同时，随着天气影响消除及阴影时长缩短，LEO及GEO轨道太阳年利用小时数可提升至5000-8760小时，而地面因区域差异年利用小时数在730-2922小时区间。综上，太空环境年太阳辐照资源总量是地面的5-6 倍，因此光伏系统在太空发电收益显著优于地面。

空间电源系统由太阳翼、储能电池及电源控制设备三大单机构成，其中太阳是整个卫星供能“心脏”。1）太阳翼：由许多太阳电池组成的阵列，可以将空间轨道的太阳光能转化为电能；2）锂离子电池组：通过将空间太阳电池阵转化的电能存储并对外输出，是飞行器的储能电源；3）电源控制设备：包括电源控制器、配电器、变换器等多类设备。

能源系统在卫星平台造价中价值量占比可观，其中太阳翼占大头。卫星平台核心作用是为卫星提供机动能力和电力，因此推进系统和电源系统的成本占比最大，电源系统成本占比约22%，其中太阳翼作为发电的核心部件是主要成本项。

卫星功能日益复杂，整星功率持续提升。卫星功能从传统单一任务卫星（如早期气象、导航卫星功率通常在1-5kw）向多功能、高集成化平台演进，整星功率已从千瓦级快速跃升至数十千瓦甚至更高。

区别于地面环境，太空环境对光伏电池要求更苛刻。1）高能辐射：直接电力辐射（质子、电子）通过电离和形成缺陷损伤光伏组件，间接电离辐射（中子、γ射线）通过散射引发原子位移，影响组件稳定性；2）原子氧与真空环境：原子氧主要存在于1000km以内的LEO轨道，会引发化学键断裂、表面氧化和材料侵蚀等多种物理化学反应；而真空环境会引发材料蒸发、升华与分解等多种有害现象；3）极端温差：地球轨道温度范围在-180℃-150℃，温度循环引发热应力，导致电池层间开裂、脱离等。

太空光伏技术历经硅太阳电池—单结砷化镓太阳电池—多结砷化镓太阳电池—薄膜砷化镓太阳电池四次革新。

2.1.砷化镓：卫星能源成熟方案，面临成本+供给约束

砷化镓（GaAs）光伏组件是一种基于III-V族化合物半导体材料的高性能太阳能电池技术。1954年世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应。在1956年，LoferskiJ.J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性，他们指出Eg 在1.2～1.6eV范围内的材料具有最高的转换效率。

多结砷化镓具备高效率、抗辐射、耐极端温差特性。1）高效率：GaAs的禁带宽度相比于Si 要宽，光谱响应特性与太阳光谱的匹配度也比Si 要好。所以GaAs太阳能电池的光电转化效率要高于Si太阳能电池；2）抗辐射；GaAs少子寿命短，在离结几个扩散度外产生的损伤，对光电流和暗电流均无影响。因此，其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池；3）耐极端温差：GaAs的本征载流子浓度低，GaAs太阳电池的最大功率温度系数（-2×10-3℃-1）较低比Si（-4.4×10-3℃-1）太阳电池小很多。

2.2.晶硅：成本可控+产能充裕，Space X 引领晶硅太空应用

晶硅光伏最早应用于太空领域，历经多轮技术迭代。1958年，美国先锋者1号卫星搭载的晶硅电池太阳阵列开启了晶硅电池太空应用，后经历BSF、选择性掺杂、双面钝化等技术升级转换效率大幅提升。

晶硅光伏技术成熟、产能完备、价格低廉。截至“十四五”末期，我国光伏硅料、硅片、电池、组件产能分别达到350 万吨、超过1500GW、超过1400GW和超过1100GW，晶硅光伏产能充裕能够满足未来太空光伏GW级乃至百GW级需求。同时，近年国内光伏行业大幅扩产，价格快速下跌，目前地面光伏组件价格已跌至1 元/w 以内，考虑针对太空环境进行的材料优化、产线改进后成本较砷化镓电池仍有数量级优势。

2.3.钙钛矿：高能质比+抗辐射+自修复特性，太空应用潜力无限

钙钛矿电池因电池的光电转换层采用钙钛矿结构材料而得名，其中钙钛矿层发挥核心作用。以平面正向电池为例，太阳光透过透明电极和紧邻的ETL 层（图中为TiO2）打在钙钛矿层（MAPbI3）上，并在钙钛矿层上发生光子到激子的转换，光生激子快速弛豫、分离成为自由的电荷与空穴。因钙钛矿层与ETL材料和HTL材料存在能级差，分离的自由电荷和空穴分别通过相应的载流子传输层后外部电极收集形成稳定电流。

单结钙钛矿电池主要分为正式平面结构、正式介孔结构和反式平面结构。正式（n-i-p）平面结构转换效率相对较高，但是空穴传输层（HTL）位于钙钛矿层上面，对材料的温度耐受性、镀膜设备均有较高要求；正式（n-i-p）介孔结构通过掺杂介孔层提升电子在钙钛矿层与电子传输层（ETL）间的传输能力，但工艺难度提升；反式（p-i-n）平面结构相比正式结构更简便，但转换效率相对较低，是目前商业化量产的主要方向。

叠层钙钛矿电池可分为晶硅/钙钛矿叠层、全钙钛矿叠层电池和薄膜/钙钛矿叠层等。叠层电池将不同带隙宽度的电池组合，对太阳光谱进行分段利用，宽带隙电池吸收短波段太阳光，窄带隙电池吸收长波段太阳光，双结叠层电池理论极限转换效率可以达到45%左右。晶硅电池具备成熟工艺，具有1.12eV带隙宽度，与钙钛矿叠层时通常作为底电池，而全钙钛矿叠层电池中通常将宽带隙钙钛矿作为顶电池，窄带隙钙钛矿作为底电池。

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