Обычный кремний может сделать солнечные батареи спутников на 85–90% дешевле
Современные кремниевые солнечные элементы могут снизить стоимость солнечных батарей для спутников на 85–90% по сравнению с применяемыми сегодня трёхпереходными элементами и одновременно уменьшить массу самих фотоэлементов примерно вдвое. К такому выводу пришли исследователи Университета Суррея, проанализировав современные технологии и рассчитав их применение на двух типах космических аппаратов.
Кремний уже использовался как основной материал космических солнечных батарей с начала космической эры до конца 1970-х годов. Затем его постепенно вытеснили элементы на основе арсенида галлия, а позже стандартом стали трёхпереходные элементы GaInP/GaAs/Ge. Они эффективнее преобразуют солнечный свет и значительно лучше переносят воздействие космической радиации.
За последние десятилетия земная кремниевая фотовольтаика заметно улучшилась. Эффективность современных кремниевых гетеропереходных элементов достигла 27,8%, а тандемных элементов на основе перовскита и кремния — 34,85%. Поэтому авторы работы решили проверить, насколько оправдано возвращение кремниевых технологий в космос.
Одно из главных преимуществ оказалось экономическим. Используемые в космической отрасли трёхпереходные элементы стоят примерно от 250 до 450 долларов за ватт мощности. Современные массовые кремниевые технологии обходятся на несколько порядков дешевле: по данным, использованным авторами, в ноябре 2025 года средняя стоимость элементов PERC составляла около 0,275 доллара за ватт, TOPCon — 0,285 доллара, а гетеропереходных элементов — около 0,39 доллара за ватт.
На уровне самого фотоэлемента разница достигает примерно тысячи раз. Однако установить обычную наземную солнечную ячейку на спутник нельзя. Её необходимо снабдить защитным стеклом и соединительными элементами, способными выдерживать космическую среду. После учёта этих компонентов преимущество уменьшается, но остаётся очень большим.
Исследователи рассчитали два практических примера: солнечную панель для одной грани спутника формата 3U CubeSat и систему для более крупного микроспутника Surrey Satellite Technology Limited. При одинаковой требуемой начальной мощности использование кремниевых гетеропереходных элементов позволяло снизить расчётную стоимость солнечной системы примерно на 85–90%.
При этом оказалось, что после перехода на дешёвый кремний основной статьёй расходов становится уже не сам фотоэлемент, а специальное защитное стекло. Поэтому дальнейшее снижение стоимости может зависеть от повышения устойчивости кремниевых элементов к космической среде: более стойкие ячейки можно будет защищать более тонким и лёгким стеклом.
Кремний оказался интересен и с точки зрения массы. По расчётам исследователей, гетеропереходные кремниевые элементы обеспечивают удельную мощность примерно 920–1000 ватт на килограмм против около 455–505 ватт на килограмм у рассмотренных трёхпереходных элементов. Поэтому масса самих фотоэлементов для получения заданной мощности может быть приблизительно вдвое меньше.
Освободившуюся массу можно использовать для дополнительного топлива, научных приборов или другой полезной нагрузки. В некоторых миссиях уменьшение массы способно также снизить стоимость запуска.
Но у кремния есть существенный недостаток. В начале миссии его мощность с единицы площади примерно на 28% ниже, чем у современных трёхпереходных элементов. Поэтому для получения одинаковой мощности спутнику может потребоваться большая площадь солнечных панелей. Даже после учёта дополнительной конструкции панелей кремниевая система в расчётах авторов оставалась значительно дешевле.
Ещё серьёзнее проблема радиации. При одинаковой толщине защитного стекла современные кремниевые элементы примерно в 2,6 раза менее устойчивы к радиационному повреждению, чем трёхпереходные. Поэтому экономическое преимущество, рассчитанное для начала эксплуатации спутника, не означает автоматически такое же преимущество после нескольких лет нахождения на орбите.
Трёхпереходные элементы лучше сохраняют характеристики в длительных миссиях, поэтому авторы считают повышение радиационной стойкости кремния одной из главных задач перед его широким возвращением в космическую энергетику.
Другой недостаточно изученный фактор — ультрафиолетовое излучение. Современные кремниевые структуры деградируют под его воздействием, причём наиболее эффективные гетеропереходные элементы могут оказаться чувствительнее некоторых более старых конструкций. Большая часть существующих испытаний проводилась с ультрафиолетом, достигающим поверхности Земли, тогда как в космосе аппараты подвергаются воздействию более энергичного вакуумного ультрафиолета.
Авторы предлагают подробнее изучить работу современных кремниевых элементов при реальном сочетании радиации, ультрафиолета и резких перепадов температуры. Они также обращают внимание на старые способы повышения стойкости кремния, включая легирование литием, которое ещё в 1960-х годах исследовалось как способ частичного восстановления элементов после радиационных повреждений.
Возвращение кремния может стать особенно важным по мере роста масштабов космической отрасли. Число запускаемых на орбиту объектов увеличилось примерно со 120 в 2010 году до более чем 2800 в 2024 году. Для крупных спутниковых группировок разница в цене фотоэлементов превращается в существенную часть общей стоимости производства.
Ещё больший масштаб потребовался бы для орбитальных солнечных электростанций, где площадь панелей может измеряться квадратными километрами. Производственные мощности специализированной отрасли трёхпереходных элементов в таком случае становятся серьёзным ограничением. Кремниевые элементы, напротив, уже выпускаются мировой солнечной промышленностью в огромных количествах.
Работа не показывает, что кремний уже готов заменить арсенид-галлиевые и трёхпереходные элементы во всех космических аппаратах. Для длительных миссий с высокой радиационной нагрузкой существующие специализированные элементы сохраняют важные преимущества. Однако для CubeSat, крупных спутниковых группировок и других проектов, где стоимость и масса особенно важны, современные кремниевые технологии могут стать значительно более дешёвой альтернативой.
Исследование в журнале Acta Astronautica.