空间同位素热光伏转换技术研究现状

2024-04-12林文立邵剑雄杨爱香汤亮亮邱家稳

电源技术 2024年3期

林文立，邵剑雄，田岱，杨爱香，汤亮亮，邱家稳

(1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100090；2.兰州大学核科学与技术学院，甘肃兰州 730000)

在我国目前已经实施的空间探测任务中，航天器的主能量源为太阳能电源。太阳能电源是一种依靠光伏电池在任务期间吸收太阳光能，通过光电转换过程实现电能输出供航天器使用的供电装置，其供电能力强烈依赖于航天器空间位置处的光照强度。随着航天器空间位置逐渐远离太阳，单位面积的太阳光强随距离呈平方衰减，太阳能供电的能力将急剧下降[1-2]。若进行月球背面或地形复杂区域的探测，太阳能将不能全天候应用。

2030 年前后我国探月工程四期任务将建成月球科研站基本型，其面临南极低温、复杂地形和灵活用电等问题。未来5～10 年内，我国将陆续启动木星、小行星、行星际穿越探测等更远目标的深空探测项目。探测距离越远，太阳电池板的面积需等比例扩大，若进一步考虑光伏电池低温低光强效应(LILT)[3-4]、更长的轨道转移周期带来的衰减效应，所需的太阳电池板面积还会更大，有必要考虑空间核电源的使用。

空间核电源可以实现热电联产，通过热电转换技术将核热能转换为电能供航天器使用的装置，其具有电功率输出稳定、工作周期长等特征，不依赖于空间光照环境；同时，电源系统排出的废热，可用于对航天器其他部件进行保温，是开展深空探测任务的理想能量源[5-6]。

空间核电源可以分为空间反应堆电源和空间同位素电源两种。基于核裂变反应的物理特性，反应堆电源最小电功率规模在千瓦级，David 等提出了一种解决火星表面能源问题的3～20 kW 火星表面热管堆及其转化装置的设计方案HOMER，其采用热管反应堆与斯特林转换装置相结合的星表核电源设计方案，能够与3 kW 的斯特林动力系统相耦合[7]；John 等提出了21 世纪以来国际上唯一进行研发的千瓦级空间核反应堆电源Kilopower，它的研发设计针对未来太空运输和星表电力应用，是以反应堆为热源、热管为热能传输部件，利用斯特林发电机发电的小型裂变电力系统，用于提供1～10 kW 的功率，比功率为2.5～6.5 W/kg[8-9]；由于千瓦级核反应堆电源需额外配备大质量的辐射屏蔽层、大面积的大功率辐射散热装置，在现阶段受到运载火箭能力限制以及几何尺寸的约束，空间反应堆电源在轻小型化方面面临较大工程难度，短期内不易具备直接服务深空探测任务的条件。

空间同位素电源以衰变能为能量来源，以α 衰变为主[10]，不需要额外的辐射屏蔽层，同时系统以百瓦级能量规模为主，不需要大面积散热装置，是开展深空探测任务的能量选择之一。自1965 年至今，美国NASA 先后在卫星、首次登月、月面试验站、木星探测、外行星探测、火星探测等31 项任务中，均使用同位素电源，最大电功率达到470 W[11-14]。1977 年发射的旅行者号，因为安装了同位素电池，到现在仍然在工作，据估计，旅行者号剩余的核燃料，还可以继续支撑旅行者号工作到2030 年。因此，开展空间同位素电源的研究对于我国深空探测事业的发展是十分有意义的。

当前同位素电源面临的主要问题是核源的不足以及长时间运行下的长寿命高可靠问题。空间同位素电源普遍使用的Pu-238 核源，其制备需要从核废料中提取原料、制靶通过核反应堆辐照分离产生，由此导致Pu-238 核源生产困难，国际上只有美国、俄罗斯批量生产，引进价格高昂[14-15]。因此，提高同位素电源系统热电转换效率，减小核源用量成为重点发展方向。月球科研站建造及木星以远深空探测任务周期比较长。因此，在突破高效率热电转换技术的同时，必须兼顾工程任务长寿命高可靠的需求。

目前，国际上公认的适用于同位素电源系统(电功率规模1 kW 以下)的热电转换技术主要包括[7]：温差技术、斯特林技术、热光伏技术等。其中，温差技术已有空间应用经验，其效率为6.8%(空间应用水平)，技术成熟度高；斯特林技术效率可达25%以上(工程样机水平)，但运动部件带来的可靠性问题导致斯特林系统在长寿命实现方面不可避免地面临更多挑战；热光伏技术转换效率可达15%～20%[16](原理样机水平)，具备静态转换技术的长寿命特征。其转换效率高、静态工作稳定性好等特点，可有效降低战略级资源Pu-238 的用量，缓解核源生产压力并降低飞行任务成本。因此，热光伏转换技术是同位素电源发电技术未来发展的重要研究方向，具有重要的研究意义以及广阔的应用前景。

本文将简述同位素热光伏电源技术的国内外研究现状，重点阐述国内空间热光伏同位素电源的研究进展，并简要分析其未来研究发展趋势。

1 同位素热光伏技术(RTPV)国际研究现状

同位素热光伏电源[16](radioisotope thermophotovoltaic,RTPV)主要由同位素热源(RHU)、辐射发射器、滤光器、光伏电池、热控散热装置及结构件组成。

其发电原理及过程如图1 所示，同位素热源体(RHU)的衰变能转化为热能，加热包裹在其外表面的辐射发射器，达到1 000～1 200 ℃，辐射器在高温下发出的光经滤光器光谱选择后，高于禁带宽度有效波段的光大部分被PV 光伏电池吸收，转化为电能输出，低于禁带宽度的光则反射回热源，增加热源工作温度，以此实现系统的高效率发电。

图1 同位素热光伏电源RTPV系统概念

从20 世纪90 年代开始，NASA 就已开展了空间同位素热光伏电源的研究，经历了方案设计、关键技术攻关、原理样机及工程样机研制等阶段，呈现出任务牵引明确、研究体系完整等特点。

1994 年，以JPL 实验室冥王星快速飞越探测任务为背景，Fairchild Space and defense Corporation(后更名为Orbital Sciences Corporation)进行了基于通用同位素热源(general purpose heat source,GPHS)模块(热功率500 W)的样机设计及研制，系统设计图如图2所示。该样机设计以一维数值模型为基本出发点，将系统能量传递过程简化为两个平行面之间的辐射换热过程，采用遗传算法进行了热光伏系统数值分析，设计效率26.8%，原理样机效率15.1%[17]。

图2 500 W同位素热光伏系统设计图[17]

之后，进行了10～30 W 小型电源设计，理论效率13.8%[18]。1996 年，Glenn Research Center(GRC)受NASA 委托，研究合金型选择性辐射器在系统中的应用，实现设计效率16%，通过优化预计可实现21%的效率[19]。

2003年起，NASA加大对RTPV系统的研究投入，进入关键技术攻关阶段。2007 年，GRC 研制了基于热功率为250 W 的GPHS 标准热源模块热光伏系统，采用0.6 eV 禁带宽度的InGaAs 电池，如图3 所示，在热源温度1 077 ℃条件下，实测系统效率达18%以上[19]。2009 年，根据铱、铼、钨及其合金发射率特征，研究了金属材料辐射发射器对系统效率的改善[20]，如图4 所示，发现钨和粗糙的钽辐射器可以用于提高系统发电效率。

图3 GRC研制的250 W同位素热光伏系统[19]

图4 NASA设计的240 W 同位素热光伏系统[20]

2012 年，在NASA 空间热光伏同位素电源研制取得连续突破进展的基础上，DARPA(美国国防高级研究计划局)开始支持小功率瓦级热光伏同位素电源研究[21]。2015 年，形成瓦级热光伏同位素电源样机，热源功率30 W，实现了2～3 W 的电功率输出，热电转换效率7.5%～10.6%，具体见图5。同时，研究了中子辐照对光伏电池性能的影响，其年衰减率约为1%。2016 年，完成了工程样机的非核测试，预计涉核试验将在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行[16]。

图5 DARPA研制的瓦级小功率热光伏同位素电源及测试结果[21]

总的来说，美国从1994 年起持续推动热光伏空间同位素电源发展，20 年间完成了从方案设计到关键技术攻关到原理样机测试的研制过程。目前已经完成小尺寸工程样机，准备利用核源进行测试。表1给出了热光伏同位素电源系统的主要指标，从中可以看出：通过系统级的优化，可以实现热电转换效率20%以上，充分证明了热光伏空间同位素电源系统的先进性。系统效率的提升一方面依靠与光电器件发展带来的光谱调控效率的提升，同时也得益于系统级热控措施以及绝热结构设计的优化[20]。在热源辐射材料选择方面，主要选择以钨、钽等高温难熔金属为主。近年来还发展了基于表面微结构的辐射发射器技术[22]，通过人工设计的光子晶体结构实现辐射光谱能量分布的调控，可以进一步提高光谱调控的效率。

表1 国际热光伏式空间同位素电源样机主要参数

2 国内空间同位素热光伏原理样机研究现状

我国同位素电源研究始于20 世纪70 年代，主要集中于温差式和斯特林式同位素电源方向。1971 年研制了钋-210 温差式同位素发电(RTG)装置，效率4.2%，电科集团持续研究RTG 技术[12]。2006 年，中国原子能科学研究院研制基于Pu-238 的温差式同位素电源，功率百毫瓦，效率3%[12]。2012 年，上海应物所研制基于Sr-90 的温差式同位素电源，效率1%。在我国的嫦娥三号探测任务中，为了保证嫦娥三号着陆器和月球车在低温环境下能够正常工作，配置了同位素核热源Pu-238，为探测器提供一个稳定的恒温环境。2018 年12 月，我国发射的嫦娥四号探测器中首次采用中电十八所和中国原子能科学研究院联合研制的温差式同位素电源进行辅助供电(约2 W)，热电转换效率仅有3%。2023 年，由航天五院510 所研制的空间高效自由活塞斯特林热电转换试验装置，在中国空间站梦天实验舱首次完成了在轨测试和三次在轨试验，在轨测试时装置热冷端整机全程运行稳定，性能指标超出预期验证目标。

针对于热光伏转换技术，国内研究主要围绕太阳能聚焦热光伏及燃烧器热光伏系统展开，同时一些单位进行了单器件研究。南京理工大学宣益民课题组针对GaSb 电池研制了一维选择性光子滤波器，对GaSb 电池有较好的光谱过滤特征[23]；对太阳能TPV 系统进行了建模，达到对太阳光谱进行调控提高太阳电池极限效率的目的[24]；陈雪等基于地面(太阳能、燃烧热)热光伏研究基础，进行了热管换热条件下散热研究[25]。清华大学研究了GaSb 电池表面二维矩阵光栅以增强近场效率[26]；中国科学技术大学叶宏等对太阳能热光伏及燃烧热光伏系统进行了实验，并进行GaSb 性能方面的研究[27]。中科院苏州纳米所研制了0.60 eV -InGaAs 电池[28]；吉林大学张宝林和东华理工大学彭新村课题组对0.53 eVGaInAsSb电池结构进行了优化设计并分析了温度升高的性能衰退效应[29]；昆明理工大学汪宇课题组通过分析吸收模型研究了0.72 eV-GaSb 和0.53 eVGaInAsSb 电池的结构优化，研究了多种因素对薄膜电池效率的影响[30]。

在以空间任务为背景的热光伏同位素电源系统级样机层面，国内的相关研究和报道很少。总体设计部与兰州大学合作，结合空间应用任务需求，研制了热光伏空间同位素电源系统样机，主要包括模拟热源、辐射器、滤光器、光伏电池、热控五个模块。以通用标准热源(250 W PuO2)构型为基础，开展了空间同位素电源总体设计及系统级热光伏耦合分析设计等工作。

为了提升系统的热光电转化效率，对选择性辐射器、一维光子晶体滤光器、光伏电池进行了技术攻关。

(1)选择性辐射器

为了提高系统的转换效率，辐射器发射的光谱应与光伏换能元件的量子效率相匹配，即在光伏电池有用波段(1～2 µm)的发射率尽可能高，无用波段(>2 µm)发射率尽可能低，这样的辐射器称为选择性辐射器。考虑辐射器的耐高温性，选择耐高温的金属合金材料作为辐射器。

钨、钽等金属材料有很高的熔点，可以在900～1 000 ℃下保持稳定工作状态。图6(a)给出了金属钨、钽、硅以及氧化铝的发射率，从中可以看出，金属材料发射率低，并且具有较好的选择性。辐射器温度为1 100 ℃时，可实现发射光谱中可用波段光的能量比例占辐射总能量的40%以上。因此，在样机中，选择钨、钽作为辐射器，其加工实物图如图6(b)所示。

图6 耐高温材料发射率对比(a)和辐射器实物图(b)

(2)滤光器

滤光器可对到达光伏电池的光谱再次进行调制，实现辐射器光谱与后端电池晶元量子效率高度匹配，其主要使光伏电池可用波段光谱高通，不可用波段光谱高反射，再次被利用以提高热源温度，同时减轻电池晶元散热压力。一维光子晶体滤波器具有较好的光谱控制特性，结构简单，可实现大面积加工。可用介电常数比很大的Si/SiO2组合来实现，具有很好的全方位光谱特性，并且这两种材料在近红外波段的吸收非常小。

图7 为课题组研制的大面积一维光子晶体滤光器，通过优化设计，消除了透射窗口中透射率随波长的剧烈波动，透过率稳定保持在90%以上，并可对更长波长的红外光有较好的反射作用，滤光器的透射率曲线测量结果见图7(b)所示。

图7 一维光子晶体滤光器实物图(a)和滤光器透过率测试结果(b)

(3)光伏电池

根据同位素热光伏系统热源温度及辐射器发射光谱的特性，目前主流应用的光伏电池有两种：GaSb和InGaAs。GaSb 电池在0.8～1.8 μm 有较高的量子效率，InGaAs 电池在0.8～2.2 μm 有较高的量子效率，国内InGaAs 电池没有系统的生产线。近几年，兰州大学建立了专业的红外晶元实验室，具备多种镀膜、光刻、扩散、退火、划片等一系列专业生产设备，可完成晶元研制或生产所有工艺步骤，研制的GaSb 晶元，在提高晶元填充因子的同时，保证了晶元短路电流在稳定值，如图8 所示。

图8 制备GaSb电池主要工艺流程及成品

图9 为课题组制备的GaSb 电池样品，单个电池大小为1.0 cm×1.5 cm 放置在铝背板上串并联形成电池阵列。经测试，单个电池样片的外量子效率集中在0.3～1.8 μm 波段，转换最高峰在72%至81%，在同等热辐射条件下，优于进口晶元样片指标。

图9 GaSb晶元实物图(a)和晶元量子效率测试值(b)

在以上关键器件研制和测试的基础上，研制了同位素热光伏系统原理样机，如图10 所示，经测试，样机热源功率为232 W，热源温度为1 198 ℃，发电效率为15.2%。

图10 热光伏原理样机实物图

3 国内外空间应用研究现状对比

国际上RTPV 的空间应用研究，NASA 走在前列，得益于光电器件发展带来的光谱调控效率提升，及系统级热控和绝热结构设计优化，可实现20%以上的系统发电效率。

国内，五院总体设计部和兰州大学多年来进行了空间热光伏同位素电源系统研究，经历了机理研究、方案设计、单晶元样机研制、系统仿真、面向空间应用的原理样机研制等阶段，逐步做到15.2%的样机发电效率，但与国际上研究相比，仍有一定差距，体现在：(1)对核心热源的绝热设计仍需改进；(2)进一步提升热源的有用光谱发射效率。