一种面向太空光伏的CIGS-钙钛矿四端叠层组件、太阳翼及系统的制作方法

本发明涉及空间光伏与新能源，具体而言涉及一种面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件、太阳翼及系统。

背景技术：

1、当前航天领域正经历高功率卫星和星载ai算力载荷的快速发展，对空间光伏电源在大面积、高功质比和低成本方面提出了紧迫需求。

2、以刚性三结砷化镓太阳能电池(gaas太阳电池)为代表的现有主流技术，因自身刚性硬质结构导致大尺寸适配性差，要构建百平米级超大规模空间阵列，需将数千片独立单体进行拼接，这不仅增加了结构复杂度，也显著提高了展开故障率，目前尚无成熟的600m2级gaas太阳翼在轨应用案例；

3、同时，gaas电池自重较大，整体功质比普遍仅150-180w/kg，难以满足高功耗卫星的能源要求，而百平米级系统的造价高达每平方米15至20万元，重量和成本都大幅推高了卫星制造与发射费用；此外，该技术无法柔性收纳，整流罩空间占用大，难以适应商业航天一箭多星和超大规模太阳翼的应用场景；另一方面，单结柔性铜铟镓硒(cigs)或钙钛矿技术虽具备柔性优势，但受带隙限制，转换效率偏低，传统两端叠层结构又存在电流匹配约束，使得现有方案无法兼顾高效与柔性。

技术实现思路

1、为解决上述存在的问题，本发明提供了一种面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件、太阳翼及系统。

2、第一方面，本发明提供的一种面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件采用如下技术方案:

3、一种面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件，包括：相互层叠的cigs底电池和钙钛矿顶电池；所述cigs底电池与钙钛矿顶电池各自独立制备，两者之间通过由粘接剂固化形成的互联层进行物理层压连接，形成四端叠层结构；所述钙钛矿顶电池引出独立的负极和正极，所述cigs底电池引出独立的负极和正极，两组电池各自独立汇流，电路互不相连且无共用回路；

4、粘接剂为航天级粘接剂，是指适用于航天领域的低温固化rtv有机硅橡胶，其性能参数如下，1)总质量损失＜0.1-1.0%；2)固化后剪切强度为4.0-6.0mpa；3)工作温度为-115～260℃；4)断裂伸长100-200%；5)热膨胀系数200-300ppm。

5、进一步地，所述面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件包括：柔性钙钛矿-柔性cigs、柔性钙钛矿-刚性cigs和刚性钙钛矿-柔性cigs组合结构。

6、进一步地，所述cigs底电池为自下而上逐层堆叠结构，具体由柔性封装层、保护层、衬底层、背电极层、cigs吸收层、缓冲层、第一透明导电层、柔性封装层构成。

7、其中，当所述cigs底电池为刚性结构时，所述衬底层为厚度50-300μm的抗辐射玻璃；当所述cigs底电池为柔性结构时，所述衬底层为经表面等离子体清洗活化并磁控溅射沉积有na阻挡层及应力缓冲层的聚酰亚胺薄膜；

8、所述背电极层为通过直流磁控溅射沉积的厚度为500-800nm的mo层，且经350-400℃分段退火处理以消除内应力；所述cigs吸收层为在基片温度380-460℃下通过三步共蒸发法或溅射-硒化法沉积的厚度为1.6-2.0μm的薄膜，且具有调控的ga梯度及na共掺杂结构；所述缓冲层为通过化学浴沉积形成的厚度为30-50nm的cds层，或通过原子层沉积形成的zn(o,s)或in2s3无镉缓冲层；所述第一透明导电层由通过磁控溅射沉积的厚度为30-50nm的i-zno层与厚度为300-500nm的zno:al或ito层构成。

9、进一步地，所述钙钛矿顶电池为自下而上逐层堆叠结构，具体由柔性封装层、保护层、衬底层、第二透明导电层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、第三透明导电层、保护层、柔性封装层构成。

10、其中，当所述钙钛矿顶电池为刚性结构时，所述衬底层为厚度50-300μm的抗辐射玻璃，当所述钙钛矿顶电池为柔性结构时，所述衬底层为经表面等离子体清洗活化并磁控溅射沉积有na阻挡层及应力缓冲层的聚酰亚胺薄膜；

11、抗辐射玻璃为航天抗辐射玻璃，是指适用于航天领域的抗紫外、质子/电子等辐照的掺铈的微晶玻璃或掺铈的硼硅酸盐玻璃盖片，关键指标成分如下:1)含量氧化铈(ceo2)成分占比0.5-3.0%，是抗辐射核心成分，吸收高能粒子，防止玻璃变色。2)抗电子辐照(1mev，1x1015e/cm2)400-1000nm波段透射衰减＜2%；3)抗质子辐照(10mev，1x1012p/cm2)400-1000nm波段透射衰减＜3%；4)抗紫外辐照(10年地球静止轨道等效紫外剂量)400-1000nm波段透射衰减＜1%。

12、所述第二透明导电层为在表面沉积的透明导电金属氧化物层后，置于200℃下退火处理5min并冷却至室温构成的薄膜，其制备工艺为磁控溅射镀膜、反应等离子体溅射镀膜、电子束镀膜、原子层沉积与化学气相沉积中的一种或多种镀膜工艺的组合；其中，所述透明导电金属氧化物包括锡掺杂氧化铟(ito)、氟掺杂氧化锡(fto)、氧化铟钨(iwo)与氧化铟锌(izo)中的一种或多种的组合；

13、所述空穴传输层为通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、丝网印刷、磁控溅射、反应等离子体沉积、原子层沉积与化学气相沉积中的一种或多种工艺的组合，沉积于所述导电层表面且膜厚为10nm的材料层；其中，所述空穴传输层的材料包括氧化镍(niox)、聚三芳胺(ptaa)、硫氰酸亚铜(cuscn)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐复合物(pedot:pss)与二硫化钼(mos2)中的一种或多种的组合；

14、所述钙钛矿层为通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、丝网印刷与热蒸发镀膜中的一种或多种工艺的组合，在所述空穴传输层表面沉积钙钛矿前驱体薄膜，经溶剂萃取处理并在100-200℃下退火10-30min后形成的厚度为1μm的薄膜；其中，所述溶剂萃取处理包括真空腔体干燥法(vcd)、风刀吹扫法与反溶剂法中的一种或多种的组合，所述钙钛矿薄膜的材料包括甲脒基钙钛矿、甲胺基钙钛矿与铯基钙钛矿中的一种或多种的组合；

15、所述电子传输层为通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、丝网印刷、磁控溅射、反应等离子体沉积、原子层沉积与化学气相沉积中的一种或多种工艺的组合，形成于所述钙钛矿层表面构成的材料层；其中，所述电子传输层材料包括氧化锡(snox)、富勒烯(c60)、氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)与富勒烯衍生物(pcbm)中的一种或多种的组合；

16、所述第三透明导电层为通过热蒸发镀膜、磁控溅射与等离子体沉积中的一种或多种工艺的组合，制备于所述电子传输层表面的电极层；其中，所述电极层的材料包括金、银、铜与ito、fto、iwo、izo中的一种或多种的组合。

17、在一些实施例中，所述柔性封装层为阻水阻氧聚酰亚胺膜或铝蒸镀聚酯膜，且边缘采用紫外uv固化密封胶进行密封封装；所述保护层为通过等离子体增强化学气相沉积与磁控溅射技术交替沉积的厚度为20nm的sinx层与厚度为20nm的al2o3层；

18、阻水阻氧聚酰亚胺膜为航天级阻水阻氧聚酰亚胺膜，是指适用于航天领域的抗紫外、质子/电子等辐照的无色透明聚酰亚胺薄膜，关键指标成分如下，1)抗电子辐照(1 mev，1x1015e/cm2)400-1000nm波段透射衰减＜2%；2)抗质子辐照(10mev，1x1012p/cm2)400-1000nm波段透射衰减＜3%；3)抗紫外辐照(10年地球静止轨道等效紫外剂量)400-1000nm波段透射衰减＜1%。

19、进一步地，所述面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件通过以下方法制得:

20、s1、分别独立制备cigs底电池与钙钛矿顶电池，并进行单片检测与筛选；

21、s2、在检测合格的所述cigs底电池的第一透明导电层表面，均匀涂覆航天级粘接剂，随后将所述钙钛矿顶电池置于对位治具中，使其第三透明导电层朝下并与所述第一透明导电层精准对位；

22、s3、对贴合后的组件进行层压，并在不高于100℃的温度条件下进行热固化或紫外uv固化处理，形成所述互联层，以避免钙钛矿材料受热降解，完成四端叠层组件的物理层压；

23、s4、将所述钙钛矿顶电池的第三透明导电层与第二透明导电层分别通过导电胶或超声焊接连接至独立汇流条作为顶电池负极与正极，将所述cigs底电池的背电极层与第一透明导电层分别通过导电胶或超声焊接连接至独立汇流条作为底电池负极与正极，确保四组端子互不相连；

24、s5、在完成四端引出的组件四周边缘涂覆航天级硅酮树脂或环氧树脂密封胶，必要时进行包边焊铝蒸镀阻隔膜处理，完成边缘封装，得到所述面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件。

25、第二方面，本发明提供的一种面向太空光伏的柔性太阳翼采用如下技术方案：

26、一种面向太空光伏的柔性太阳翼，包括：太阳翼柔性承载基底，选用航天级耐高低温黄色pi膜作为基底(具体要求如下：1. 工作温度区间耐受-269～+280℃；2)拉升强度＞180mpa；3.断裂伸长率＞30%，介电强度＞150 kv/mm)以及在所述基底表面通过航天级粘接剂呈矩阵排布贴合的如前所述的面向太空光伏的cigs-钙钛矿四端叠层组件阵列；组件之间配置航天级可伐电极(可伐合金牌号：gb/t 15018 4j29，关键指标，1)热膨胀系数4.6-5.2 ppm/k(30-40℃)与玻璃匹配；2)氦漏率＜1×10-9pa m3/s; 3)热循环稳定性(-150～+150℃)，＞3000次不失效)，并通过柔性导线互联形成大面积光伏阵列面；所述太阳翼整体厚度控制在0.1-10mm之间。

27、第三方面，本发明提供的一种卫星光伏能源系统采用如下技术方案：

28、一种卫星光伏能源系统，包括：柔性光伏子系统、最大功率点追踪mppt能控子系统以及储能子系统；其中，所述柔性光伏子系统由前述第二方面所述的面向太空光伏的柔性太阳翼构成；

29、所述柔性光伏子系统在电气结构上划分为彼此物理与电气隔离的顶部钙钛矿电池阵列与底部cigs电池阵列，用于分别独立输出第一路直流电能与第二路直流电能；

30、所述mppt能控子系统包括第一最大功率点跟踪器、第二最大功率点跟踪器以及一次母线稳压汇流模块；所述第一最大功率点跟踪器的输入端独立接入所述顶部钙钛矿电池阵列，以实时追踪顶电池的最大功率点并对所述第一路直流电能进行dc-dc功率变换；所述第二最大功率点跟踪器的输入端独立接入所述底部cigs电池阵列，以实时追踪底电池的最大功率点并对所述第二路直流电能进行dc-dc功率变换；两路经过功率变换的直流电能共同输出至所述一次母线稳压汇流模块进行汇流与稳压，以向卫星负载供电；

31、所述储能子系统包括充放电调节模块以及航天级锂离子电池组(具体为18650锂电池组成的电池组，关键指标如下，1)标称电压3.6v；2)能量密度＞130 wh/kg；3)循环寿命＞500次；4)日历寿命＞7年；5)针刺/外部短路，不爆炸/不起火；6)抗辐照＞50 krad(si)后，容量衰减＜10%)；所述航天级锂离子电池组通过所述充放电调节模块与所述一次母线稳压汇流模块双向电连接，以在光照期且光伏输出功率富余时吸收并存储电能，或在光伏输出功率不足及地影期时向所述一次母线稳压汇流模块放电。

32、进一步地，所述卫星光伏能源系统配置有基于空间光照与地影交替环境的动态能量调度控制逻辑，具体包括以下步骤：

33、1)双路独立追踪与汇流：当卫星处于光照期时，同步启动所述第一最大功率点跟踪器与所述第二最大功率点跟踪器，分别对所述顶部钙钛矿电池阵列与所述底部cigs电池阵列进行独立的最大功率点跟踪，使两组电池阵列输出最优功率，双路直流电能经所述dc-dc功率变换后汇流至所述一次母线稳压汇流模块；

34、2)光照充足状态下的供电与充电调度：系统依据实时采集的功率数据进行判断，若光伏总功率大于或等于负载需求功率，则优先由所述一次母线稳压汇流模块向卫星负载供电，富余电能通过所述充放电调节模块对所述航天级锂离子电池组执行恒流或恒压充电；在充电过程中，若检测到所述航天级锂离子电池组已充满，则启动分流调节器调制并耗散多余能量，以维持母线电压稳定；

35、3)光照不足状态下的联合供电调度：若光照不足导致光伏总功率小于负载需求功率，则立即启动所述充放电调节模块的放电功能，由所述航天级锂离子电池组补充差额功率，与所述柔性光伏子系统联合向卫星负载供电；

36、4)地影期状态下的全储能供电调度：当卫星进入地影期且系统判定无光照条件时，停止所述第一最大功率点跟踪器与第二最大功率点跟踪器的工作，并完全切换至储能供电模式，由所述航天级锂离子电池组全权独立放电，以保障卫星各子系统及高功耗星载(ai算力载荷)获得全时段不间断的稳定电力供应。

37、综上所述，本发明包括以下有益效果:

38、1.本发明的cigs-钙钛矿四端柔性叠层光伏组件克重≤1.0kg/m2，远低于现有航天级gaas刚性电池的3.0-4.0kg/m2，且组件整体厚度控制在0.1-10mm之间，其优异的柔韧性支持反复卷绕与弯折操作，解决了传统刚性gaas电池体积庞大、不可弯曲的物理缺陷，还能大幅降低航天器发射时的整流罩占用体积，高度适配各类空间卫星平台；

39、2.本发明采用四端叠层物理层压结构，有效突破了单结太阳电池的光电转换效率极限，在百平米级超大规模应用中，系统整体功质比跃升至≥350w/kg，理论至高可达2000w/kg以上，且功率面密度≥250w/m2，匹配并保障了未来高功耗星载ai算力载荷等大功率设备的能源供给需求；

40、3.不同于常规的卷对卷工艺，本发明中cigs底电池与钙钛矿顶电池均采用片对片独立制备与单片检测筛选机制，该工艺有效避免了底层缺陷的累积传导，过程管控精度极高，确保了光伏组件具备极佳的一致性与高良品率，满足严苛的航天级高可靠性应用标准；

41、4.本发明提供的柔性太阳翼，突破了传统刚性太阳翼在展开面积上的物理受限问题，匹配百平米级超大面积太阳翼的构建需求，压缩了太阳翼的收纳空间，契合商业航天时代“一箭多星”的批量组网与高密度发射模式；

42、5.本发明涉及的cigs-钙钛矿四端柔性叠层光伏组件无需依赖传统gaas方案中昂贵的外延生长工艺，方案原材料消耗少、制备能耗低，使得百平米级系统的整体制造成本呈指数级下降，极其适合未来大规模低轨卫星互联网组网的商业化批量应用；

43、6.在电气控制层面，四端独立引出并结合双路mppt控制，规避了传统两端叠层电池面临的串联电流失配风险；底层的cigs电池天然具备优异的抗空间辐照稳定性，保障了长期在轨运行寿命，此外，该能源系统在电气与机械接口上适配现有卫星平台，可作为传统刚性太阳翼的直接无缝替换升级方案。