自1957年苏联研制并将世界上第一颗人造卫星（斯普特尼克1号）送入地球轨道以来，太空探索已经取得了多个里程碑式的成就。如今，数千颗人造卫星在轨道上运行，用于拍摄和分析太阳、月球、地球、太阳系其他行星、小行星、星系和系外行星。
根据忧思科学家联盟的数据，目前有超过6000颗卫星在环绕地球运行，其中3372颗用于忧思科学家联盟通信系统（互联网、手机、无线电、电视）、全球定位系统（基于位置的服务和导航）、地球观测和传感和监测（气象追踪、灾害预测）等不同目的。对于处于地球轨道或前往远离太阳目的地的航天器而言，电源系统是其关键组成部分。根据具体任务以及电力需求，可以采用多种技术来实现高效的电力供应，各种电源系统的优缺点总结在表1中。
根据美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心的说法，空间环境可以通过七个要素来描述，分别是太阳风、太阳风与地磁场相互作用、太空辐射、热波动、太阳活动、中性大气、流星体和太空碎片，其余因素可以通过采用屏蔽策略或优化航天器设计来解决，所以七个因素中对航天器材料的稳定性和使用寿命最具危险性的是辐射效应。第一颗太阳能卫星“先锋 1 号”于 1958 年 3 月 17 日由美国发射进入太空。能量由单晶硅基太阳能电池提供（在 28°C 时光电转换效率（PCE）为 10%，总功率约为 1 瓦）。值得注意的是，“先锋 1 号”运行了 6 年，性能远超仅运行 20 天的电池供电系统。在二十多年的时间里，硅基太阳能电池被用于为航天器供电，器件的光电转换效率从低于 10%提高到超过15%。
然而，在 20 世纪 70 年代末，砷化镓太阳能电池因更高的光电和抗辐射性能而取代了硅太阳能电池。第一颗砷化镓太阳能电池供电的卫星是 1977 年进入轨道的导航技术卫星 2 号（NTS - 2）。在 20 世纪 90 年代，光伏技术的进一步发展促成了MJSCs的生产，这种电池使用两种或更多的光捕获材料来优化对太阳光的吸收。这些器件通常由 III - V 族合金半导体制成，与硅基太阳能电池相比，具有更高的效率和更强的抗辐射能力。1997 年发射的休斯 HS 601HP 是使用双结太阳能电池的航天器的首个实例。
Jasenek和Rau研究了高能量电子和质子辐照（能量在兆电子伏特范围内）在高注量（分别高达10¹⁸ 和10¹⁴个粒子每平方厘米）对CIGS太阳能电池性能的影响。图8b-e展示了短路电流的剩余因子。具体而言，图8b显示，对于能量为1 MeV的电子辐照，需要粒子注量 > 10¹⁷ 个粒子/平方厘米才能观察到光电转换效率（PCE）下降10 %，这是一个显著的结果，因为硅和砷化镓在至少低一个数量级的注量下就会经历相同程度的损耗。正如预期的那样，更高能量（3 MeV）的电子会对CIGS器件造成更大的损伤，而短路电流对较低能量（0.5 MeV）的电子表现出很强的抗性。作者指出，因为填充因子（FF，图8c）和短路电流密度（JSC，图8d）在电子轰击实验中基本不受影响，而开路电压（VOC）则出现了损耗（图8e），衰减机制涉及光吸收层内复合中心的形成。截然不同的是，能量为4 MeV的质子辐照会导致所有光伏参数下降。然而，临界注量（即光电转换效率剩余因子为0.6时的值）约为10¹⁴ 个粒子/平方厘米，这仍比硅和砷化镓的临界注量高一个数量级。
Kawakita 等人首次报告了搭载在MDS-1卫星上发射进入轨道的CIGS太阳能电池的性能。有趣的是，该航天器被置于一条穿过两条范艾伦辐射带的轨道上，因此处于一个极具挑战性且辐射丰富的环境中。与短路电流和开路电压相关的其余因素随任务时间变化的趋势表明，CIGS太阳能电池具有极高的辐射耐受性，作者在一年多的运行中未观察到性能损失。因此，这种材料对电子和质子轰击的固有抗性可以取代防护策略。因此，这项技术是实现新型太空光伏解决方案的一个非常有前景的选择，可降低重量、发射和维护成本。
目前，与其他光伏技术相比，III-V族多结太阳能电池由于具有最高的光电转换效率（PCE）和抗辐射能力，成为了太空应用光伏设备的先进技术。尽管具备这些诱人的特性，但此类设备仍存在制造工艺复杂且成本高昂的缺点。随着太空任务的私有化，市场对更廉价的光伏技术需求巨大。为了降低制造和维护成本，同时满足轻量化和柔韧性的要求，CIGS太阳能电池的春天也许快来了。
节选自：Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2200125， https://doi/10.1002/aenm.202200125
对于数周或数月的短期任务，可以使用不可充电电池和燃料电池等电化学电源。对于长期任务（数年），光伏（PV）设备或与可充电电池结合使用的核动力系统是提供不间断且稳定电力的唯一可用选择。因为太阳光功率密度足以用于发电，太阳电池应用于内行星任务（即水星 0.4 天文单位、金星 0.7 天文单位、地球 1.0 天文单位和火星 1.5 天文单位）的卫星。在 1 天文单位（太阳地球之间平均距离，约1.496亿千米），太阳在大气层外的辐照度为 1367 瓦每平方米。然而，单个太阳能电池产生的输出功率（1 - 2 瓦）对于需要数千瓦电力的航天器来说是不够的，因此使用太阳能电池阵列。太阳能电池阵列由多个太阳能电池板（或模块）组成，这些电池板包含多个相互连接（串联和/或并联）的太阳能电池。
通常，太阳电池是由几种不同材料堆叠在基底上构成的异质结构器件。目前，空间应用光伏技术中最常用的光收集器是硅和用于多结太阳能电池的半导体，如锗、III - V族半导体（砷化镓、磷化铟）及其合金（磷化铟镓、砷化铟镓、氮砷化铟镓、铝铟镓磷和铝铟镓砷）。目前，由Azur Space、Spectrolab、SolAero和意大利航天研究中心等多家公司生产的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳能电池以及AlInGaP/AlIn - GaAs/InGaAs/Ge四结太阳能电池通过了不同太空任务的认证，目前已成为航空航天领域的标准产品。例如，由Azur Space公司生产的已经商业化的lInGaP/AlInGaAs/InGaAs/Ge太阳电池的功率转换效率（PCE）在1个太阳AM0光照下初始寿命（BOL）时可达32%，在寿命末期（EOL）可达28.7%，目前是性能最佳的空间太阳能电池。尽管多结太阳能电池性能优异，但它们存在刚性大、厚度大（约80至约200微米）、重量大的缺点，InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池（3JSC）的比功率约为0.4 - 0.8瓦每克，并且制造工艺复杂。如今，针对未来任务（例如巨型星座计划）的创新光伏技术的研究活动不仅聚焦于提高PCE，还关注降低成本。在这方面，基于硅的单结器件提出了更廉价的工艺技术（实验室规模器件在1个太阳AM 1.5G光照下PCE为26.1%），它们尤其适用于短期任务。例如，由SpaceX建造的星链巨型星座卫星就配备了硅太阳能电池板。目前，基于硅的太阳能电池在1个太阳AM0光照下初始寿命时的PCE为16.9%，这些电池由AzurSpace制造，并已通过太空任务的资格认证。
从 21 世纪初开始，尽管由于材料稀缺和生产工艺复杂导致制造成本高昂，但三结太阳能电池（3JSCs）成为了太空应用的标准，主要有两个原因。首先，市面上可买到的三结太阳能电池在初始寿命时的光电转换效率可达约 30%。第二个原因是其具有高抗辐射能力，商用器件在寿命末期，在受到通量为 10¹⁵ 粒子/平方厘米的 1 兆电子伏电子辐照后，光电转换效率约为 27%。21世纪10年代中期，人们付出了巨大努力来研发GaInP/GaInAs/Ge多结太阳能电池。AZUR SPACE Solar Power GmbH取得了最佳性能，其电池在寿命末期（EOL）的效率达到了26.5%，这实际上是该技术的实际极限。
尽管多结太阳能电池和硅基太阳能电池处于太空应用光伏设备的前沿，但降低制造和维护成本、实现轻量化和柔性化的需求推动了对其他材料的研究。在这些替代材料中，基于CIGS的太阳能电池在该领域极具前景，因为它们重量轻（比功率~3瓦/克），采用薄膜结构（甚至可在聚酰亚胺或金属片等柔性衬底上实现），并且对辐射具有出色的稳定性。此类设备是异质结构系统，包括：涂有钼层（用作电接触）的钠钙玻璃、一个PN结（由CIGS吸收层和硫化镉缓冲层形成）、一个本征氧化锌（ZnO）层，最后是一个铝掺杂的氧化锌层（用作透明导电电极）。
