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2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际尘埃对太阳能电池的影响

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、填空题（每空2分，共20分）

1.星际尘埃的主要成分包括硅酸盐、碳质和冰冻物质等，其尺寸通常在______微米到______厘米之间。

2.尘埃与太阳能电池相互作用的主要方式包括物理撞击、化学侵蚀和______。

3.尘埃沉积在太阳能电池表面会导致电池对入射光的可见光吸收率下降，从而引起______损失。

4.高速尘埃撞击太阳能电池表面时，可能产生热效应和______，导致材料损伤。

5.为了减少尘埃沉积的影响，可以采用倾斜表面设计或涂覆______涂层等策略。

6.太阳能电池在空间运行过程中，除了星际尘埃，còn受到微流星体和空间碎片的______。

7.尘埃的化学成分与其与太阳能电池材料发生______反应密切相关，可能改变界面性质。

8.衡量太阳能电池抗尘埃性能的一个重要指标是尘埃沉积后其光电转换效率的______。

9.在地面模拟空间尘埃撞击环境，常用的设备包括______和重离子束装置。

10.针对星际尘埃的防护，发展新型耐磨损、抗污染的太阳能电池材料是______途径之一。

二、简答题（每题5分，共30分）

1.简述星际尘埃在太空中是如何形成的主要来源。

2.解释什么是尘埃的“遮光效应”及其对太阳能电池性能的具体影响。

3.简述高速尘埃颗粒撞击太阳能电池时可能引发的几种主要物理损伤机制。

4.说明化学侵蚀作用是如何影响太阳能电池性能的。

5.简要介绍一种用于清洁太阳能电池表面沉积尘埃的物理方法及其原理。

6.为什么说评估尘埃对深空探测器太阳能电池的影响比评估近地轨道卫星的影响更为复杂？

三、论述题（每题10分，共40分）

1.详细论述尘埃的成分（如硅质、碳质、金属颗粒等）与其对特定类型太阳能电池（如单晶硅、多晶硅、薄膜电池）相互作用机制和影响后果可能存在的差异。

2.结合具体实例或原理，论述太阳能电池表面曲率设计如何影响尘埃的沉积和清除，并分析其优缺点。

3.探讨当前空间任务中采用的主要抗尘埃策略（如材料选择、结构设计、定期清洁），并分析每种策略的局限性。

4.论述理解星际尘埃特性（如速度、通量、尺寸分布）对于设计和优化空间太阳能电池及其防护系统的重要性。

四、分析题（每题15分，共30分）

1.假设某深空探测器上的太阳能电池阵列长期暴露在星际尘埃环境中，尘埃通量为1个/cm2/s，主要尘埃颗粒尺寸为几微米，成分以碳质为主。分析这种环境条件下，该电池阵列可能面临的主要性能退化问题，并说明其内在原因。

2.分析现有清洁技术（如气擦、机械刷洗）在应用于在轨运行的太阳能电池阵列时可能遇到的挑战，并提出可能的改进思路或替代方案。

试卷答案

一、填空题（每空2分，共20分）

1.0.1，0.1

2.热效应

3.光电转换效率

4.热应力

5.自清洁

6.威胁

7.化学或界面

8.保持率

9.尘埃枪或静电除尘器

10.重要

二、简答题（每题5分，共30分）

1.答：星际尘埃主要来源于恒星风、超新星爆发、行星形成过程中的碰撞和星系际物质等。恒星风将恒星表面物质抛洒到太空中，超新星爆发产生大量高速带电粒子和碎片，行星形成过程中的碰撞产生细小颗粒，这些来源的物质经过长时间演化、聚集和碎裂，形成了我们观测到的星际尘埃。

2.答：遮光效应是指沉积在太阳能电池表面的尘埃颗粒会像遮光罩一样，阻挡部分或全部入射太阳光到达电池活性层，使得电池的有效接收光照面积减少，从而降低电池的光电流输出，最终导致光电转换效率下降。

3.答：高速尘埃撞击太阳能电池时可能引发的物理损伤机制包括：①产生巨大的冲击力，导致电池表面材料产生裂纹、划痕或坑洞；②剧烈的摩擦和冲击产生瞬时高温（热效应），可能引起材料熔化、烧蚀或相变；③撞击产生强烈的应力波，可能在材料内部引发微裂纹或使界面结合强度下降。

4.答：化学侵蚀作用是指尘埃颗粒中携带的某些活泼化学物质（如氧化物、硫化物、卤素等）或水冰在空间环境中解冻后，与太阳能电池材料（包括半导体、金属接触层、钝化层等）发生化学反应，导致材料腐蚀、界面劣化、能带结构改变或产生缺陷，从而降低电池的开路电压、填充因子或短路电流，影响整体性能。

5.答：一种常用的物理清洁方法是利用压缩气体（如氮气或氩气）吹扫电池表面。其原理是利用高压气流产生的动压和冲击力，将附着在表面的尘埃颗粒吹走，类似于气擦清洁。这种方法相对温和，不易损伤电池表面，但清洁效果可能受尘埃粘附力、气流压力和角度等因素影响。

6.答：因为深空环境的尘埃成分、尺寸分布