中华教育网随着科学技术的进步，人类的发展也不再局限于地面，而是不断向宇宙空间推进。作为空间资源的重要组成部分，临近空间（Near space）独特的地理位置使其在空间科学研究中具有特殊的战略地位，逐渐成为国际高新技术领域的研究热点[1]，也是我国重点发展的领域之一。
1. 临近空间是什么？临近空间是指距地面20～100公里的空域，航空与航天的空间结合部，是人类尚未大规模开发的空白区域。开发利用临近空间将在拓展战略空间、维护国家安全、打赢现代战争、推动经济发展等方面产生重大而深远的影响。临近空间飞行器是指能够在临近空间内进行长期、持续飞行作业的空间飞行器，其可以通过装载不同有效载荷，实现在通信保障、侦查预警、实时监控、远程打击等方面的科技、军事及民用价值。在军事方面，可以预见，临近空间飞行器在陆、海、空、天信息网络的投入，必将对各国的安全防卫提出新的挑战。同时，临近空间的民用开发方面也具有重要意义。例如，如果能在临近空间布局大量的高空驻留气球，就可能为全球提供网络服务，尤其是用于扩展非洲和东南亚的网络业务，而且也能节省架设光纤电缆的昂贵费用，还可以帮助受灾断网地区恢复网络服务。近年来，临近空间飞行器已成为我国重点发展的项目之一，并取得了一系列瞩目的成果，标志着我国临近空间飞行器的发展向着更加成熟的方向迈进。
2. 临近空间飞行器有哪些？通常意义的临近空间飞行器是指低速临近空间飞行器。目前，全球在研的低速临近空间飞行器主要包括氢能源无人机、太阳能无人机、临近空间飞艇和高空气球等。
氢能源无人机和太阳能无人机作为低速固定翼飞行器，一般都具有大尺寸机翼，通过巡航飞行获取气动升力，保持飞行高度，同时控制飞行器航向、航速和姿态。氢能源无人机需要消耗液氢燃料，航时往往设计为1～2周，目前还无法持久在临近空间飞行作业。太阳能无人机也受制于轻质高强结构材料技术的发展水平和太阳能电池板的自重问题，载重能力受限，目前还难以实现携带200 kg以上重量的有效载荷在临近空间开展长航时飞行。
临近空间飞艇与高空气球是目前比较典型的可长时间停留在临近空间的浮空飞行器，均依靠自身浮力保持飞行高度。这两者也存在一定区别，临近空间飞艇具有太阳能电池与储能电池构成的循环能源系统，可为飞艇飞行提供持续动力，具有长时间驻空和按航路飞行的能力。而高空气球一般不具备动力系统，主要依靠高空大气环流，环绕地球某纬度区域飞行。
3. 临近空间飞行器的能源技术。由于临近空间飞行器所处空间位置及环境的特殊性，飞行器的材料与结构、飞行所需的动力能源技术以及浮空平衡技术都是临近空间飞行器发展面临的关键性问题。其中，能源技术是目前亟需解决的技术瓶颈之一，其密切关系到飞行器的平稳运行以及持续飞行作业时间。
太阳能电池技术是解决临近空间飞行器能源瓶颈的一个重要途径。太阳能电池技术又称为光伏技术，是利用光吸收材料将光能转化为电能的技术。硅基太阳能电池是最为常用的光电转换能源装置，它具有较高的光电转换效率以及工作寿命，现已成功应用于临近空间飞行器。不过，传统硅基太阳能电池装置在临近空间飞行器上的应用也存在着较多限制，例如，在柔性基底上制备单晶硅太阳能电池还存在技术瓶颈，制约了其在临近空间飞行器弯曲机体表面的应用。另外，硅基太阳能电池的能质比（能质比：单位质量产生的能量）较低（< 5 W g-1）[2]，基于此类能源装置的自重过大，这也限制了飞行器自身所能携带的其他有效载荷，进而制约了临近空间飞行器技术的发展。
4. 新型钙钛矿太阳能电池技术。近年来，一类新型的光伏能源技术——钙钛矿太阳能电池迅速崛起，其光电转换效率从2009年的~3%提升到2019年的25.2%[3]，一举超过多晶硅太阳能电池，成为最具应用潜力的可再生能源技术之一。应用于光伏领域的钙钛矿光吸收材料通常具有ABX3的化学结构，也就是与钛酸钙（CaTiO3）相似的立方晶体结构。在钙钛矿材料立方晶胞中，A位为一价阳离子，B位为二价阳离子，X位为卤素阴离子。A阳离子处于立方体的八个顶点，B阳离子处于立方体的体心，X阴离子处于立方体的面心；其中B和X离子构成八面体[BX6]4-基团。通常情况下，A阳离子可以是有机基团[甲胺阳离子（MA、CH3NH3+）、乙胺阳离子（EA、C2H5NH3+）、甲脒阳离子（FA、HC(NH2)2+或无机碱金属族阳离子（K+、Rb+、Cs+）]。B阳离子通常为二价的Pb2+、Sn2+、Ge2+、Cu2+等；而X阴离子是卤素离子（Cl-、Br-、I-）。尺寸合适的A位阳离子可以调节八面体基团间的空隙，使其构成连续的八面体骨架。
与传统硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有几点显著的优势。首先，成本优势。采用价格低廉的钙钛矿光伏材料作为吸光材料，而且制备流程的成本显著低于单晶及多晶硅。其次，柔性优势。钙钛矿光伏材料在太阳能电池中通常以厚度为亚微米级别的薄膜形式存在，具有柔软可弯折的力学特性，适合构建柔性太阳能电池，从而可以充分利用弯曲载体的表面空间。目前，柔性钙钛矿太阳能电池的转换效率已达到~20%[4]，这也表明钙钛矿太阳能电池在柔性技术领域的应用潜力巨大。再者，高能质比优势。对于飞行器等载荷能力有限制的飞行载体，能源装置需要具有较高的能质比。钙钛矿太阳能电池是一类新型的薄膜太阳能电池，自身质量较轻，单位质量所产生的能量较高，尤其是柔性钙钛矿太阳能电池，已有的研究表明，其具有其他种类太阳能电池所无法达到的超高能质比（> 20 W g-1）[5]，这也是该类太阳能电池最大的特色。
近期，北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”与中科院光电研究院、西北工业大学等单位合作，率先开展了钙钛矿太阳能电池在临近空间的稳定性研究，迈出了钙钛矿太阳能电池在临近空间飞行器上应用探索的第一步。科研工作者于2018年8月在我国内蒙古地区进行高空科学气球试验，通过将钙钛矿太阳能电池负载在高空气球上，研究器件在距地面35 公里的临近空间极端环境下的稳定性情况。最终获得AM0辐照下，器件维持其初始效率95%以上的稳定性数据。该项研究获得国家973计划（Grant No. 2015CB932200）的资助，相关成果发表在Science China-Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学天文学》英文版）上，并被选作2019年第7期的封面文章[6]。该项研究率先提出将钙钛矿太阳能电池应用于临近空间飞行器上，利用钙钛矿太阳能电池低成本、可柔性制备以及高能质比的优势，推动临近空间飞行器能源装置优化革新，为临近空间飞行器能源系统的进一步转型升级提供了一种可行的方案。后续，相关研究人员将继续推进“钙钛矿光伏+临近空间应用”的研究，期望将新型钙钛矿光伏技术集成于临近空间浮空器、高空无人机等临近空间飞行器上，探索更加高效可靠的供能系统，助力我国对“临近空间”的开发。（作者：涂用广 朱瑞 黄维）
参考文献：
[1] Hampton S. Near-Space. Air Force Magazine, 2005, 88(7), 36.
[2] Kaltenbrunner M., Adam G., G?owacki E. D., et al. Flexible high power-per-weight perovskite solar cells with chromium oxide–metal contacts for improved stability in air, Nat. Mater., 2015, 14, 1032.
[3] https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart-20180716.jpg
[4] Docampo P., Ball J. M., Darwich M., et al. Efficient organometal trihalide perovskite planar-heterojunction solar cells on flexible polymer substrates, Nat. Commun., 2013, 4, 2761.
[5] Kaltenbrunner M., Adam G., G?owacki E. D., et al. Flexible high power-per-weight perovskite solar cells with chromium oxide–metal contacts for improved stability in air, Nat. Mater., 2015, 14, 1032.
[6] Tu Y. G., Xu G. N., Yang X. Y., et al. Mixed-cation perovskite solar cells in space, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 2019, 62, 974221.
来源：互联网
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