空間同位素熱光伏轉換技術研究現狀

林文立，邵劍雄，田 岱，楊愛香，湯亮亮，邱家穩

(1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100090；2.蘭州大學核科學與技術學院，甘肅蘭州 730000)

在我國目前已經實施的空間探測任務中，航天器的主能量源為太陽能電源。太陽能電源是一種依靠光伏電池在任務期間吸收太陽光能，通過光電轉換過程實現電能輸出供航天器使用的供電裝置，其供電能力強烈依賴于航天器空間位置處的光照強度。隨著航天器空間位置逐漸遠離太陽，單位面積的太陽光強隨距離呈平方衰減，太陽能供電的能力將急劇下降[1-2]。若進行月球背面或地形復雜區域的探測，太陽能將不能全天候應用。

2030 年前后我國探月工程四期任務將建成月球科研站基本型，其面臨南極低溫、復雜地形和靈活用電等問題。未來5～10 年內，我國將陸續啟動木星、小行星、行星際穿越探測等更遠目標的深空探測項目。探測距離越遠，太陽電池板的面積需等比例擴大，若進一步考慮光伏電池低溫低光強效應(LILT)[3-4]、更長的軌道轉移周期帶來的衰減效應，所需的太陽電池板面積還會更大，有必要考慮空間核電源的使用。

空間核電源可以實現熱電聯產，通過熱電轉換技術將核熱能轉換為電能供航天器使用的裝置，其具有電功率輸出穩定、工作周期長等特征，不依賴于空間光照環境；同時，電源系統排出的廢熱，可用于對航天器其他部件進行保溫，是開展深空探測任務的理想能量源[5-6]。

空間核電源可以分為空間反應堆電源和空間同位素電源兩種。基于核裂變反應的物理特性，反應堆電源最小電功率規模在千瓦級，David 等提出了一種解決火星表面能源問題的3～20 kW 火星表面熱管堆及其轉化裝置的設計方案HOMER，其采用熱管反應堆與斯特林轉換裝置相結合的星表核電源設計方案，能夠與3 kW 的斯特林動力系統相耦合[7]；John 等提出了21 世紀以來國際上唯一進行研發的千瓦級空間核反應堆電源Kilopower，它的研發設計針對未來太空運輸和星表電力應用，是以反應堆為熱源、熱管為熱能傳輸部件，利用斯特林發電機發電的小型裂變電力系統，用于提供1～10 kW 的功率，比功率為2.5～6.5 W/kg[8-9]；由于千瓦級核反應堆電源需額外配備大質量的輻射屏蔽層、大面積的大功率輻射散熱裝置，在現階段受到運載火箭能力限制以及幾何尺寸的約束，空間反應堆電源在輕小型化方面面臨較大工程難度，短期內不易具備直接服務深空探測任務的條件。

空間同位素電源以衰變能為能量來源，以α 衰變為主[10]，不需要額外的輻射屏蔽層，同時系統以百瓦級能量規模為主，不需要大面積散熱裝置，是開展深空探測任務的能量選擇之一。自1965 年至今，美國NASA 先后在衛星、首次登月、月面試驗站、木星探測、外行星探測、火星探測等31 項任務中，均使用同位素電源，最大電功率達到470 W[11-14]。1977 年發射的旅行者號，因為安裝了同位素電池，到現在仍然在工作，據估計，旅行者號剩余的核燃料，還可以繼續支撐旅行者號工作到2030 年。因此，開展空間同位素電源的研究對于我國深空探測事業的發展是十分有意義的。

當前同位素電源面臨的主要問題是核源的不足以及長時間運行下的長壽命高可靠問題。空間同位素電源普遍使用的Pu-238 核源，其制備需要從核廢料中提取原料、制靶通過核反應堆輻照分離產生，由此導致Pu-238 核源生產困難，國際上只有美國、俄羅斯批量生產，引進價格高昂[14-15]。因此，提高同位素電源系統熱電轉換效率，減小核源用量成為重點發展方向。月球科研站建造及木星以遠深空探測任務周期比較長。因此，在突破高效率熱電轉換技術的同時，必須兼顧工程任務長壽命高可靠的需求。

目前，國際上公認的適用于同位素電源系統(電功率規模1 kW 以下)的熱電轉換技術主要包括[7]：溫差技術、斯特林技術、熱光伏技術等。其中，溫差技術已有空間應用經驗，其效率為6.8%(空間應用水平)，技術成熟度高；斯特林技術效率可達25%以上(工程樣機水平)，但運動部件帶來的可靠性問題導致斯特林系統在長壽命實現方面不可避免地面臨更多挑戰；熱光伏技術轉換效率可達15%～20%[16](原理樣機水平)，具備靜態轉換技術的長壽命特征。其轉換效率高、靜態工作穩定性好等特點，可有效降低戰略級資源Pu-238 的用量，緩解核源生產壓力并降低飛行任務成本。因此，熱光伏轉換技術是同位素電源發電技術未來發展的重要研究方向，具有重要的研究意義以及廣闊的應用前景。

本文將簡述同位素熱光伏電源技術的國內外研究現狀，重點闡述國內空間熱光伏同位素電源的研究進展，并簡要分析其未來研究發展趨勢。

1 同位素熱光伏技術(RTPV)國際研究現狀

同位素熱光伏電源[16](radioisotope thermophotovoltaic,RTPV)主要由同位素熱源(RHU)、輻射發射器、濾光器、光伏電池、熱控散熱裝置及結構件組成。

其發電原理及過程如圖1 所示，同位素熱源體(RHU)的衰變能轉化為熱能，加熱包裹在其外表面的輻射發射器，達到1 000～1 200 ℃，輻射器在高溫下發出的光經濾光器光譜選擇后，高于禁帶寬度有效波段的光大部分被PV 光伏電池吸收，轉化為電能輸出，低于禁帶寬度的光則反射回熱源，增加熱源工作溫度，以此實現系統的高效率發電。

圖1 同位素熱光伏電源RTPV系統概念

從20 世紀90 年代開始，NASA 就已開展了空間同位素熱光伏電源的研究，經歷了方案設計、關鍵技術攻關、原理樣機及工程樣機研制等階段，呈現出任務牽引明確、研究體系完整等特點。

1994 年，以JPL 實驗室冥王星快速飛越探測任務為背景，Fairchild Space and defense Corporation(后更名為Orbital Sciences Corporation)進行了基于通用同位素熱源(general purpose heat source,GPHS)模塊(熱功率500 W)的樣機設計及研制，系統設計圖如圖2所示。該樣機設計以一維數值模型為基本出發點，將系統能量傳遞過程簡化為兩個平行面之間的輻射換熱過程，采用遺傳算法進行了熱光伏系統數值分析，設計效率26.8%，原理樣機效率15.1%[17]。

圖2 500 W同位素熱光伏系統設計圖[17]

之后，進行了10～30 W 小型電源設計，理論效率13.8%[18]。1996 年，Glenn Research Center(GRC)受NASA 委托，研究合金型選擇性輻射器在系統中的應用，實現設計效率16%，通過優化預計可實現21%的效率[19]。

2003年起，NASA加大對RTPV系統的研究投入，進入關鍵技術攻關階段。2007 年，GRC 研制了基于熱功率為250 W 的GPHS 標準熱源模塊熱光伏系統，采用0.6 eV 禁帶寬度的InGaAs 電池，如圖3 所示，在熱源溫度1 077 ℃條件下，實測系統效率達18%以上[19]。2009 年，根據銥、錸、鎢及其合金發射率特征，研究了金屬材料輻射發射器對系統效率的改善[20]，如圖4 所示，發現鎢和粗糙的鉭輻射器可以用于提高系統發電效率。

圖3 GRC研制的250 W同位素熱光伏系統[19]

圖4 NASA設計的240 W 同位素熱光伏系統[20]

2012 年，在NASA 空間熱光伏同位素電源研制取得連續突破進展的基礎上，DARPA(美國國防高級研究計劃局)開始支持小功率瓦級熱光伏同位素電源研究[21]。2015 年，形成瓦級熱光伏同位素電源樣機，熱源功率30 W，實現了2～3 W 的電功率輸出，熱電轉換效率7.5%～10.6%，具體見圖5。同時，研究了中子輻照對光伏電池性能的影響，其年衰減率約為1%。2016 年，完成了工程樣機的非核測試，預計涉核試驗將在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行[16]。

圖5 DARPA研制的瓦級小功率熱光伏同位素電源及測試結果[21]

總的來說，美國從1994 年起持續推動熱光伏空間同位素電源發展，20 年間完成了從方案設計到關鍵技術攻關到原理樣機測試的研制過程。目前已經完成小尺寸工程樣機，準備利用核源進行測試。表1給出了熱光伏同位素電源系統的主要指標，從中可以看出：通過系統級的優化，可以實現熱電轉換效率20%以上，充分證明了熱光伏空間同位素電源系統的先進性。系統效率的提升一方面依靠與光電器件發展帶來的光譜調控效率的提升，同時也得益于系統級熱控措施以及絕熱結構設計的優化[20]。在熱源輻射材料選擇方面，主要選擇以鎢、鉭等高溫難熔金屬為主。近年來還發展了基于表面微結構的輻射發射器技術[22]，通過人工設計的光子晶體結構實現輻射光譜能量分布的調控，可以進一步提高光譜調控的效率。

表1 國際熱光伏式空間同位素電源樣機主要參數

2 國內空間同位素熱光伏原理樣機研究現狀

我國同位素電源研究始于20 世紀70 年代，主要集中于溫差式和斯特林式同位素電源方向。1971 年研制了釙-210 溫差式同位素發電(RTG)裝置，效率4.2%，電科集團持續研究RTG 技術[12]。2006 年，中國原子能科學研究院研制基于Pu-238 的溫差式同位素電源，功率百毫瓦，效率3%[12]。2012 年，上海應物所研制基于Sr-90 的溫差式同位素電源，效率1%。在我國的嫦娥三號探測任務中，為了保證嫦娥三號著陸器和月球車在低溫環境下能夠正常工作，配置了同位素核熱源Pu-238，為探測器提供一個穩定的恒溫環境。2018 年12 月，我國發射的嫦娥四號探測器中首次采用中電十八所和中國原子能科學研究院聯合研制的溫差式同位素電源進行輔助供電(約2 W)，熱電轉換效率僅有3%。2023 年，由航天五院510 所研制的空間高效自由活塞斯特林熱電轉換試驗裝置，在中國空間站夢天實驗艙首次完成了在軌測試和三次在軌試驗，在軌測試時裝置熱冷端整機全程運行穩定，性能指標超出預期驗證目標。

針對于熱光伏轉換技術，國內研究主要圍繞太陽能聚焦熱光伏及燃燒器熱光伏系統展開，同時一些單位進行了單器件研究。南京理工大學宣益民課題組針對GaSb 電池研制了一維選擇性光子濾波器，對GaSb 電池有較好的光譜過濾特征[23]；對太陽能TPV 系統進行了建模，達到對太陽光譜進行調控提高太陽電池極限效率的目的[24]；陳雪等基于地面(太陽能、燃燒熱)熱光伏研究基礎，進行了熱管換熱條件下散熱研究[25]。清華大學研究了GaSb 電池表面二維矩陣光柵以增強近場效率[26]；中國科學技術大學葉宏等對太陽能熱光伏及燃燒熱光伏系統進行了實驗，并進行GaSb 性能方面的研究[27]。中科院蘇州納米所研制了0.60 eV -InGaAs 電池[28]；吉林大學張寶林和東華理工大學彭新村課題組對0.53 eVGaInAsSb電池結構進行了優化設計并分析了溫度升高的性能衰退效應[29]；昆明理工大學汪宇課題組通過分析吸收模型研究了0.72 eV-GaSb 和0.53 eVGaInAsSb 電池的結構優化，研究了多種因素對薄膜電池效率的影響[30]。

在以空間任務為背景的熱光伏同位素電源系統級樣機層面，國內的相關研究和報道很少。總體設計部與蘭州大學合作，結合空間應用任務需求，研制了熱光伏空間同位素電源系統樣機，主要包括模擬熱源、輻射器、濾光器、光伏電池、熱控五個模塊。以通用標準熱源(250 W PuO2)構型為基礎，開展了空間同位素電源總體設計及系統級熱光伏耦合分析設計等工作。

為了提升系統的熱光電轉化效率，對選擇性輻射器、一維光子晶體濾光器、光伏電池進行了技術攻關。

(1)選擇性輻射器

為了提高系統的轉換效率，輻射器發射的光譜應與光伏換能元件的量子效率相匹配，即在光伏電池有用波段(1～2 μm)的發射率盡可能高，無用波段(>2 μm)發射率盡可能低，這樣的輻射器稱為選擇性輻射器。考慮輻射器的耐高溫性，選擇耐高溫的金屬合金材料作為輻射器。

鎢、鉭等金屬材料有很高的熔點，可以在900～1 000 ℃下保持穩定工作狀態。圖6(a)給出了金屬鎢、鉭、硅以及氧化鋁的發射率，從中可以看出，金屬材料發射率低，并且具有較好的選擇性。輻射器溫度為1 100 ℃時，可實現發射光譜中可用波段光的能量比例占輻射總能量的40%以上。因此，在樣機中，選擇鎢、鉭作為輻射器，其加工實物圖如圖6(b)所示。

圖6 耐高溫材料發射率對比(a)和輻射器實物圖(b)

(2)濾光器

濾光器可對到達光伏電池的光譜再次進行調制，實現輻射器光譜與后端電池晶元量子效率高度匹配，其主要使光伏電池可用波段光譜高通，不可用波段光譜高反射，再次被利用以提高熱源溫度，同時減輕電池晶元散熱壓力。一維光子晶體濾波器具有較好的光譜控制特性，結構簡單，可實現大面積加工。可用介電常數比很大的Si/SiO2組合來實現，具有很好的全方位光譜特性，并且這兩種材料在近紅外波段的吸收非常小。

圖7 為課題組研制的大面積一維光子晶體濾光器，通過優化設計，消除了透射窗口中透射率隨波長的劇烈波動，透過率穩定保持在90%以上，并可對更長波長的紅外光有較好的反射作用，濾光器的透射率曲線測量結果見圖7(b)所示。

圖7 一維光子晶體濾光器實物圖(a)和濾光器透過率測試結果(b)

(3)光伏電池

根據同位素熱光伏系統熱源溫度及輻射器發射光譜的特性，目前主流應用的光伏電池有兩種：GaSb和InGaAs。GaSb 電池在0.8～1.8 μm 有較高的量子效率，InGaAs 電池在0.8～2.2 μm 有較高的量子效率，國內InGaAs 電池沒有系統的生產線。近幾年，蘭州大學建立了專業的紅外晶元實驗室，具備多種鍍膜、光刻、擴散、退火、劃片等一系列專業生產設備，可完成晶元研制或生產所有工藝步驟，研制的GaSb 晶元，在提高晶元填充因子的同時，保證了晶元短路電流在穩定值，如圖8 所示。

圖8 制備GaSb電池主要工藝流程及成品

圖9 為課題組制備的GaSb 電池樣品，單個電池大小為1.0 cm×1.5 cm 放置在鋁背板上串并聯形成電池陣列。經測試，單個電池樣片的外量子效率集中在0.3～1.8 μm 波段，轉換最高峰在72%至81%，在同等熱輻射條件下，優于進口晶元樣片指標。

圖9 GaSb晶元實物圖(a)和晶元量子效率測試值(b)

在以上關鍵器件研制和測試的基礎上，研制了同位素熱光伏系統原理樣機，如圖10 所示，經測試，樣機熱源功率為232 W，熱源溫度為1 198 ℃，發電效率為15.2%。

圖10 熱光伏原理樣機實物圖

3 國內外空間應用研究現狀對比

國際上RTPV 的空間應用研究，NASA 走在前列，得益于光電器件發展帶來的光譜調控效率提升，及系統級熱控和絕熱結構設計優化，可實現20%以上的系統發電效率。

國內，五院總體設計部和蘭州大學多年來進行了空間熱光伏同位素電源系統研究，經歷了機理研究、方案設計、單晶元樣機研制、系統仿真、面向空間應用的原理樣機研制等階段，逐步做到15.2%的樣機發電效率，但與國際上研究相比，仍有一定差距，體現在：(1)對核心熱源的絕熱設計仍需改進；(2)進一步提升熱源的有用光譜發射效率。

4 總結

熱光伏技術兼具靜態工作穩定性好和發電效率高的特點，是深空探測同位素電源技術的有效選擇。本文對當前國際上航天領域主要的同位素電源技術進行簡要介紹，重點對同位素熱光伏技術的國內外進展進行了分析。

目前，在以空間任務為背景的熱光伏同位素電源系統級樣機層面，國內的相關研究和報道很少。五院總體設計部和蘭州大學共同研制的熱光伏空間同位素電源系統，原理樣機測得發電效率15.2%。但在系統級能量率的利用優化和熱電轉換效率方面與NASA 研究相比，仍有一定差距，需通過進一步研究加以改進。

未來應重點進行以下幾方面的研究：(1)通過同位素熱光伏電源的機-熱-光-電耦合優化設計，實現系統級的效率提升；(2)根據空間應用需求，開展百瓦級熱光伏空間同位素樣機研制；(3)開展同位素熱光伏系統長周期性能演化研究，為未來工程化應用奠定基礎。