长五遥四火箭发射，图片来源：人民日报客户端
北京时间7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空，“天问一号”自此踏上前往火星探测的漫长旅途。
“天问一号”轨道飞行想象图，图片来源：中国航天科技
“天问一号”作为中国第一个踏上前往火星旅程的探测器，本次任务要完成3个目标：
第一个是进入环绕火星轨道，释放着陆器，轨道器则留在火星轨道上继续对火星表面、空间环境进行研究。
第二，由于光速有限，火星和地球距离遥远，从火星到地球的信号会有延迟，着陆器进入火星大气层的所有动作都需要自动完成。
第三，释放巡视器，对火星表面环境进行勘探和研究。
“天问一号”火星探测任务的动画演示，图片来源：CGTN/CCTV
整个“天问一号”组合飞行器一共5吨，根据以上任务目标可知，分为轨道器、着陆器和巡视器三个部分，架构与嫦娥3号和4号相似。
“天问一号”的轨道器上搭载7台仪器，包括对地成像相机、矿物光谱仪、磁力计、中性粒子探测器、次表层探测雷达、高能粒子探测仪等。通过轨道器我们将获得火星表面地质结构图、火星表面土壤分布、冰层分布图、表面物质组成信息、火星电离层信息、火星地表气候信息以及火星磁场、引力场分布情况等。
巡视器上搭载6台仪器，分别为多光谱相机、环境地形勘察相机、次表层探测雷达、表面成分探测雷达、磁场仪、大气环境仪等。由此可见，巡视器和轨道器一共13个科学载荷，着陆点位于乌托邦平原上。
天问一号巡视器的动力
巡视器是这次火星任务的亮点，目前在火星上工作的巡视器只有美国的“好奇号”火星车。年发射的“机遇号”和“勇气号”在成功抵达火星后，服役了若干年，现已停止工作。
“勇气号”在年陷入软土中无法移动，美国宇航局将其转为静止观测平台，年结束任务。“机遇号”在火星运行了15年，多次发生险情，又奇迹般解除故障。比如年，“机遇号”遭遇火星上的沙尘暴，导致太阳能电池板被沙尘覆盖，接近永久失联。结果一阵神奇的风袭来，将“机遇号”电池板上的沙尘吹散了，又恢复了电力。
火星为了避免出现类似的情况，美国宇航局在年发射升空的“好奇号”火星车上就采用了核动力，不需要考虑光照的因素，在寿命期内都可以保证电力供应。核动力的优势明显，但技术起点较高，且一次性投入费用大。
美国的放射性同位素热电池属于被管控的技术，比如-放射性同位素电池，美俄都有相关的技术，但都被严格控制使用。美国使用-核电池的时间很长，在“阿波罗11号”就已经使用了两个15瓦功率的核电池。
“天问一号”的巡视器心脏使用的是太阳能电池板供电方式，采用能适应火星环境的三结砷化太阳能电池阵列，这个技术是我国最先进的实用性太阳能电池阵列，也安装在我国新一代载人飞船、“北斗三号”导航卫星、“玉兔号”月面巡视器上。
“天问一号”巡视器想象图，4片砷化镓电池板非常醒目，图片来源：中国航天科技
“天问一号”巡视器有4个较大的“翅膀”，这就是三结砷化镓太阳能电池阵列，比玉兔多2个。增加部署电池板阵列的原因在于火星距离太阳更远，而且火星上存在沙尘暴的情况，需要更大面积的电池板阵列。
火星距离太阳达1.5个天文单位，地球距离太阳为1个天文单位，多出的0.5个天文单位相当于0.7亿公里，光强降低超过地球的一半。如果量化来看，地球轨道的平均光强为每平方米瓦，火星轨道距离太阳更远，每平方米平均只有瓦。
火星火星自转轴也存在倾斜的情况，因此火星上也有四季之分，太阳直射点会在火星表面移动，那么光强还会进一步降低到每平方米瓦左右。这就需要更大面积的电池板阵列，在效率上需要更加高效一些。
火星环境对光伏发电影响
火星上的环境整体而言要比月球简单一些，但也有复杂的情况出现。从温度上看，火星表面温度变化幅度远远小于月球表面，月球表面接近真空，温度变化幅度非常之大，变化范围从-℃到℃。火星表面温度则为-℃到30℃，毕竟火星上有大气结构，温度变化没有那么剧烈。
火星表面但火星上有沙尘暴，漫天飞舞的沙尘可延续数周以上，对太阳能电池板阵列的干扰是非常大的，月球上没有沙尘的干扰，顶多在着陆器降落时会带出一些月尘，对太阳能电池板的干扰较小。
砷化镓太阳能电池性能
“天问一号”在火星表面示意图。图片来源：《科学》杂志报道截图
“天问一号”巡视器采用三结砷化镓太阳能电池阵列，是目前我国航天器上搭载的较为先进、最成熟的太阳能电池阵列，比载人航天工程一期使用的多晶硅太阳能电池板效率更高。三结砷化镓太阳能电池阵列属于航天产品，因此国外对中国采取的是禁运措施，目前航天器上使用的三结砷化镓太阳能电池阵列都属于国产装备。
三结砷化镓太阳能电池属于太阳能光伏发电技术的一种，也是第三代太阳能电池。前面两代为硅晶电池，分为单晶硅和多晶硅，第二代为薄膜太阳能电池。年，全球光伏发电产业中硅晶电池占据了95.4%的市场份额，剩下的4.6%为薄膜电池。
硅晶电池的成本一直居高不下，因此我们一听说太阳能发电，就觉得是个高成本的投入。在薄膜太阳能电池中，最成功的应该是化镉薄膜电池，转化率为32%，高于硅晶电池24%转化率。砷化镓电池的优势在转化率上有所提升，实验室内可实现50%最高转化率，生产型可达到30%以上，美国宇航局“勇气号”使用的砷化镓太阳能电池转化率为28%，总输出功率为瓦。
砷化镓电池耐高温性能优秀，比硅晶电池更佳，在℃环境中可以正常工作，但是硅晶电池在℃时就会故障不能正常工作了。作为航天器上使用的太阳能电池，工作温度区间要更大，因此硅晶电池显然不合适。
目前深空探测领域最常用的还是多结砷化镓太阳能电池，根据美国宇航局“机遇号”和“勇气号”在火星上的使用情况，使用15年至20年不是问题，只不过转化率会出现下降，且火星上的沙尘暴会造成电池表面被尘埃覆盖，导致转化率大大降低。
针对尘埃覆盖的情况，我国科研人员提出了电除尘的技术，可清除电池板上的尘埃。从长远来看，向太阳系其他行星或卫星发送地面巡视器，最佳的方法仍然是核电池，火星距离太阳更远，轨道光强进一步下降，如果是木星的卫星木卫二，因为距离太阳更遥远，那么情况就更糟了。
木卫二欧罗巴（Europa）光伏产业现状和未来
当前太阳能电池板产业中，硅基光伏发电占到全部产量的94%以上，在国家推动光伏发电的背景下，硅基材料的价格自然也涨了，这也是为什么我们总认为使用太阳能的前期成本投入较大的原因。硅基材料涨价制约了硅基光伏发电的发展，这才有了薄膜光伏电池的出现。
光伏发电产业仍然需要一次材料上的突破，让材料单价下降，才能大面积推广。或者采用可回收的技术，让砷化镓太阳能电池有回收的价值，也能让这个产业扩大规模。
光伏发电产业应用前景非常大，如果材料价格可以大幅度下降，偏远地区可大量使用光伏发电，此外城市的楼顶也可以安装光伏发电设施，所发的电可用于公共区域的照明等。
在深空探测领域同样需要光伏发电技术，之前有研究指出，可在月球背面建立光伏发电站，由于月球被潮汐锁定，月背无法对着地球，有相当一部分时间有光照。月背光伏电站的建立可为月球基地提供电力，同样的方法也可以用于建立火星基地。从深空探测、行星探测的角度看，光伏发电还是相当有市场潜力的。
但是，砷化镓太阳能电池等光伏发电技术长期被欧美国家限制出口，我国目前使用的航天级砷化镓太阳能电池都是国产，如果相关技术进一步突破，在大航天时代背景下，太阳能电池的需求量是非常大的。