综述：面向人类空间探索活动的空间能源供应技术综述

《Galaxies》：A Review of Space Energy Supply Technologies for Human Space Exploration Activities

　　

空间能源供应是人类开展深空探测的核心支撑，是保障长期太空任务及地外永久驻留的基础。当前人类已发展出多种空间能源供应技术，但受限于空间环境约束与能源来源多样性，各类探测任务所采用的能源供应技术主要取决于能源获取的可行性。本综述系统梳理了空间能源供应系统的技术原理、供能装置及实际应用。首先，归纳总结了空间太阳能发电与储能技术，以及提升空间太阳能发电效率的策略。其次，概述了空间热能的动态发电技术与静态发电系统，并对两类系统的性能进行了对比评估。随后，回顾了基于热电转换技术的空间核动力系统，讨论了核聚变研究的最新进展，分析了月球氦-3（3He）聚变技术的应用可行性。最后，针对空间能源存储与运输的挑战，介绍了电池与燃料电池技术在空间的应用。本综述同时探讨了空间能源供应系统面临的技术挑战，展望了未来发展前景，旨在为未来空间能源的综合开发利用提供参考。

1. 1.
   引言
   月球作为太阳系中地球最近的邻居，因其固有环境优势与丰富的矿产资源，被视为人类空间探测的首要目标。当前人类对月球的探测仍处于早期阶段，对月球环境的认知仍较有限，现有探测模式已难以满足未来月球开发的多元化需求。为实现人类对太阳系行星的持续深入探测，契合强调深化国际合作的空间战略，美国国家航空航天局（NASA）计划于2030年前在月球建设载人前哨站。月球基地建设需要集成推进系统、原位资源利用（ISRU）、能源供应等多领域关键技术，其中能源供给是保障月球基地稳定运行的核心条件，也是其各阶段发展的基础需求。
   能源供应指通过适配的转换系统将各类能源转化为电能，以供相关设备使用的技术手段，其在空间应用中具有悠久历史，并有望成为月球基地建设的核心技术。自1957年苏联成功发射首颗人造卫星“斯普特尼克1号”以来，人类便持续探索实现空间持续能源供应的路径。美国海军的“先锋1号”卫星搭载太阳能电池板，成为首个应用太阳能发电技术的空间探测器；1961年美国海军发射的“子午仪4A”导航卫星搭载了代号为SNAP-3B的放射性同位素热电发生器（RTG），标志着核能首次应用于空间，也是热发电技术在地外环境的首次实践。此外，“斯普特尼克1号”配备银锌化学电池为无线电发射机与温控系统供电，NASA阿波罗7号任务首次采用燃料电池技术为飞船舱段同时提供电能与饮用水。随着科技进步，可用于空间任务的能源种类持续拓展，发电技术也日益多元化。
   当前人类已在月球成功实施多类能源供应方案，月球表面可用能源通常分为太阳能、热能、核能和化学电池四大类。太阳能供应主要依托太阳能电池的光伏效应，将入射太阳辐射转化为电能，NASA的“勘测者1号”是首个月球探测器应用太阳能技术，当前中国嫦娥工程、NASA阿尔忒弥斯计划等月球探测任务仍以太阳能为主要供电模式。热能供应主要通过热力学循环发动机或特定材料的物理特性将热能转化为电能，受限于当前技术成熟度与效率，非放射性热源的热力系统仍处于实验阶段，尚未正式部署于月球，但其原理已通过地面测试验证，未来有望应用于月球基地建设。核能供应通过RTG或核反应堆等设备，将放射性同位素衰变产生的热量转化为电能，阿波罗12号任务首次在月面应用核能，宇航员艾伦·L·比恩与查尔斯·P·康拉德在月球风暴洋区域成功部署代号为SNAP-27A的RTG装置，利用钚-238（²³⁸Pu）的衰变热为月面科学仪器持续供电。化学电源如传统电池与燃料电池，是通过电化学反应将内部储存的化学能转化为电能的能源供应系统，阿波罗11号任务中飞船服务舱配备三组碱性燃料电池，单组功率约1.5千瓦，为任务同时提供电能与水；阿波罗15号及后续任务中，镍氢电池被用于为月球车及其他科学仪器供电。这些进展体现了月面多源电能发电技术的日益成熟。
   为实现月球不间断能源供应，需应对一系列环境挑战。尽管上述能源供应技术在地球已广泛应用且经多年发展日趋成熟，但其适配月球环境仍是复杂工程。月球环境昼夜温差极端、无大气层、昼夜周期漫长、表土附着性强，导致现有地面能源供应技术无法直接迁移至月面。例如长达约14个地球日的月夜期间，太阳能系统无法通过直接转化太阳辐射产生电能；昼夜极端温差会导致热电组件热胀冷缩与材料退化，不仅降低热-电转换效率，还缩短发电系统使用寿命。带电的月壤细颗粒易附着在核装置表面，可能堵塞散热孔，降低热电转换器冷热端温差，进而削弱热-电转换效率。由于缺乏月球大气，月面设备暴露于强辐射环境中，会损伤电池内部结构、加速燃料电池质子交换膜老化，最终导致储能与供电功能失效。单一能源供应技术在月球的适用性有限，为实现未来月球基地的持续电力输送，建议采用多类能源供应技术融合的综合方案。
   本文第一部分概述空间能源供应技术，涵盖能源供应的意义、历史背景、当前月面已应用的能源供应技术及面临的环境挑战；后续章节将深入讨论太阳能、热能、核能、化学电池四类能源供应方式。第二章概述空间太阳能发电与储能技术，以及提升太阳能转换效率的策略；第三章介绍空间动态热发电技术与静态热发电系统，并对比评估其性能；第四章回顾空间核动力系统的历史应用，简述核聚变技术原理，分析月面氦-3（³He）聚变技术的可行性；第五章概述电池与燃料电池的工作原理，总结其在空间任务中的应用；最后简要分析空间能源供应面临的技术挑战，为未来开发更稳健高效的空间能源供应系统提供建设性指导。
2. 2.
   太阳能发电与储能技术
   太阳能源自太阳核心的核聚变过程，氢核通过质子-质子链反应转化为氦核，释放巨大能量，经辐射传输与对流机制向太阳表面传输，最终以电磁波形式辐射至空间，为太阳系内各天体提供能量。太阳能是维持地球生命的基础能源，也是地球温度的主要来源，驱动着地球大气运动、水循环与生物活动。与地球不同，月球无大气与云层遮挡，太阳辐射无散射或吸收损耗，因此月面太阳能具有辐射强度高、无大气干扰的优势。
   2.1 太阳能发电技术
   基于月球独特环境条件，月面可采用太阳能光伏（PV）发电与太阳能热光伏（STPV）发电两种技术高效利用太阳能。
   2.1.1 太阳能光伏发电
   太阳能光伏发电是利用特定材料的光伏效应，直接将入射太阳辐射转化为电能的技术。光伏发电系统通常由太阳能电池板、储能装置、充电控制器与逆变器组成。充电控制器防止电池过充或过放，延长使用寿命；逆变器负责将太阳能电池产生的直流电转换为符合频率要求的交流电；储能装置用于存储太阳能电池在光照充足时段产生的富余电能，供光照不足时段（如夜间）使用。
   太阳能电池是太阳能电池板的基本单元，由多个太阳能电池通过串并联方式构成。太阳能电池是以p-n结为核心结构的半导体器件，由各类半导体材料制备而成，这类材料具有两个特征能带：允许电子存在的价带与完全无电子的导带，单晶硅与多晶硅是最主流的半导体材料，合计占据约90%的太阳能电池市场份额。半导体材料的光伏效应由贝克勒尔于1839年首次发现，其核心包含三个连续的能量转换阶段：第一阶段发生在p-n结处，能量大于半导体带隙的光子被吸收，价带电子跃迁至导带，形成电子-空穴对；随后在内建电场作用下，光生电子向N型层移动，对应空穴向P型区移动；载流子的空间分离驱动电子通过外部负载传输，空穴的互补移动形成闭环电流路径；最终电子在完成对外做功后，在电路末端与对应空穴复合，完成完整的能量循环。自1966年起，美国首次在“勘测者计划”中将光伏发电技术应用于月面，“勘测者1号”“勘测者3号”“勘测者5号”“勘测者6号”“勘测者7号”均搭载太阳能电池板为探测设备持续供电。随后苏联在1970年与1973年的月球探测任务中，通过搭载太阳能电池板的月球车开展了月面环境移动探测。21世纪中国嫦娥探月工程进一步推进了光伏发电技术的月面应用，嫦娥三号的玉兔号月球车、嫦娥四号的玉兔二号月球车、嫦娥五号着陆器均配备太阳能电池板提供电能。此外印度2023年成功实现月面软着陆的“月船3号”任务中，维克拉姆着陆器与普拉吉安月球车均依赖太阳能供电。
   2.1.2 太阳能热光伏发电
   太阳能热光伏（STPV）发电是将太阳能热转换与光伏发电视为一体的混合技术，系统中热光伏（TPV）电池直接将热辐射转化为电能。STPV系统通常由聚光器、热辐射发射体与TPV电池组成，其运行过程分为三个连续阶段：首先聚光器将太阳光聚焦到吸收体上，加热发射体至高温；受热发射体释放热能，依托材料的选择性发射特性优化热辐射光谱，使其匹配TPV电池的带隙；最终TPV电池吸收发射体发出的热辐射，将辐射能转化为可用电能。
   STPV技术目前受限于技术成熟度与发电效率，仍处于实验测试阶段。麦克唐纳·道格拉斯公司于20世纪90年代中期开展了STPV系统实验研究；21世纪初马德里理工大学与俄罗斯约飞研究所联合在“全光谱”项目中开发了地面STPV系统，首次报道完整STPV系统的热-电转换效率约为1%。2014年麻省理工学院团队通过采用纳米结构选择性发射体与锑化铟镓基TPV电池，使STPV系统转换效率达到3.2%。2020年欧洲空间局（ESA）与洛桑联邦理工学院进一步优化STPV系统，采用钨基光子晶体发射体并以月壤为隔热层，实现了72小时持续供电。2024年美国空军研究实验室通过开发碳化硅基硫电热模块升级TPV系统热源，在1200℃条件下，活性面积148平方毫米的锑化镓基TPV电池绝对输出功率从600℃时的0.3毫瓦提升至70.3毫瓦，整体功率提升233倍。近期中国航天科技集团开发了面向月球应用的混合光热-热光伏供电技术，以氧化钇稳定氧化锆陶瓷为储热单元，昼间吸收并存储太阳能，月夜期间稀土掺杂发射体发射1.5微米红外辐射，激发砷化镓TPV电池发电。STPV技术已完成从实验研究到原型验证的阶段跨越，未来结合原位资源利用与轻量化设计，有望实现实际工程应用。
   2.2 提升太阳能发电效率的措施
   为提升上述两类太阳能发电方式的整体效率，可针对能量转换过程的各技术环节提出可行优化措施。
   2.2.1 聚光光伏
   聚光光伏（CPV）通过提升太阳能电池接收的太阳辐射强度提高效率，其采用技术成熟的聚光光学元件，以更高聚光比将太阳光聚焦到太阳能电池上。按聚光比可分为低倍聚光（1–40倍）、中倍聚光（40–300倍）、高倍聚光（300–2000倍）三类。
   近年来CPV经历了多次迭代升级。最早的CPV是克里奇曼等人于1979年提出的线性菲涅尔透镜，在特定太阳入射角范围内，该透镜能以较低成本实现高倍聚光，相较于圆形菲涅尔透镜，在相同聚光比下所需受光面积更小、结构更简单。抛物面聚光器利用曲面反射镜将太阳光聚焦到位于焦点的接收管上，奥默与英菲尔德在此基础上为接收管设计了二次聚光结构，无需实时太阳跟踪即可提升聚光效率。复合抛物面聚光器（CPC）用于聚焦具有确定接收角的远距离光源，在直射与均匀漫射辐射条件下，CPC的最优半接收角为26°，适用于大多数聚光系统。为验证CPV在月球环境的适用性，胡等人提出了一种兼顾月球环境特征、结合原位资源利用的太阳能存储与供电方案，该系统采用线性菲涅尔透镜聚光，实现了19.6%的太阳能转换效率，月夜平均功率输出达6.5千瓦。通过部署多样化的CPV聚光系统，可将太阳光聚焦到更小面积、更高辐照度的区域，在提升光电转换效率的同时减少太阳能电池受光面积。
   2.2.2 锑化镓基热光伏电池
   在STPV系统中，热辐射能到电能的转换效率由热光伏电池的光电转换效率与发射体的光谱效率共同决定。因此采用适配的选择性发射体提升热源与TPV电池间的传热效率，可进一步提升系统光伏转换效率。
   历史上各类材料制备的TPV电池转换效率数据显示，锑化镓基（GaSb-based）TPV电池具备显著发展潜力：在1300至1500开尔文温度区间内，其量子发射效率超过90%，与传统材料（硅、锗）相比，在高温工作环境下性能衰减更少。1989年弗拉斯等人采用锌扩散法制备出首批锑化镓基TPV电池，搭载该电池的TPV系统能量转换效率达35%。后续研究发现锑化镓基TPV电池的性能参数受发射极深度、掺杂浓度与结结构影响：拉贾戈帕兰等人采用单步锌扩散与发射极刻蚀技术制备TPV电池，确定最优发射极深度约为0.4微米，此时电池输出功率达到最大值；唐等人研究了掺杂浓度对电池输出功率的影响，通过在p型掺杂TPV电池中引入硒扩散并在衬底表面沉积二氧化硅层，在1500开尔文黑体辐射条件下，采用氮化硅陶瓷发射体的“n-p”构型电池相较传统“p-n”结构具有更高的量子发射效率，输出功率密度提升1.42倍；迪亚斯等人改进电池结结构，通过集成2809组涂层-衬底对实现串联构型，通过改变薄膜厚度调控光谱发射率，最终实现接近50%的功率转换效率，输出功率密度达10.2瓦/平方厘米。此外针对传统平面STPV系统易受热损失影响的问题，里嫩鲍尔等人开发了笼式混合构型STPV系统，利用纳米光子技术制备发射体与吸收体，在提升光子发射效率的同时降低了热损失影响。
   2.2.3 光伏电池阵列
   如前所述，太阳能电池是太阳能电池板的基本单元，为获得更高输出电压，通常通过串联太阳能电池构成面板；为提升输出电流，可增大单体电池受光面积或通过并联连接多组电池。光伏阵列是由太阳能电池板通过串并联方式构成的大规模光伏系统。
   田等人基于太阳能电池二极管模型开发了等效电路，经户外实验验证后，该电路成为计算光伏阵列电参数的通用模型，明确了阵列输出电流与电压的关系。该模型可计算任意构型光伏阵列的输出功率，预测值与实验结果吻合良好。光伏阵列的发电效率随几何构型变化：哈尔巴赫等人的研究表明，增大圆形阵列的接地直径可显著提升受光量，从而提高系统发电效率；采用“箭形”与“X形”构型可在保持受光率基本相当的前提下减少太阳能电池板面积。为验证光伏阵列在月球的适用性，戈登提出基于月球两极独特光照条件，将阵列部署于月球极圈环极区域，该区域几乎无阴影遮挡，预计光伏供电系统的比功率可达17千瓦/千克。戴尔等人对光伏阵列耦合储能系统的?特性进行分析，结果表明光伏阵列主导系统?性能，电池阵列可显著提升储能系统的放电效率。
   2.3 太阳能储能技术
   鉴于月球昼夜周期的独特性，赤道附近月夜时长可达354小时，月夜期间无法直接利用太阳能供电，因此需采用适配方法存储昼间收集的能量，供夜间转换为可直接利用的形式。根据物质储能的内在机理，这类方法通常分为热储能与物理储能两大类。
   2.3.1 热储能
   热储能利用蓄热材料吸收太阳辐射并以热能形式存储，其成功应用高度依赖具有高比热容与性能稳定的储能材料。阿波罗任务的采样数据显示，月壤中约10%–20%的质量由粒径小于20微米的颗粒组成，90%的月壤颗粒直径小于1毫米；月面温度测量实验同时表明，深度0.6米以下的月壤温度基本恒定在320开尔文，仅数英尺厚的月壤层即可有效阻隔近300开尔文的极端温差，可推断表层月壤是天然优质热储能材料。通过将月壤封装于密封容器中并以轻质气体为传热介质，可实现昼间高效吸收存储太阳辐射能。在此基础上，金建立了月壤层温度预测模型，可精准预报月面温度场分布，为热储能系统的热力学设计提供关键理论支撑。
   为应对月昼月夜剧烈温差，克莱门特等人提出了融合热瓦迪技术（heat wadis）的月面热储能系统，以改性月壤为储热介质，通过相变材料将其温度维持在230开尔文以上，为探测设备在月夜提供热防护。胡等人优化了月壤微观结构，通过多孔介质数值模拟证明面心立方堆叠构型的月壤具有更优储热性能，储热容量达305.6千瓦时；刘等人通过优化月壤隔热层的孔隙率与厚度，使三类储热系统在200小时后热储能效率提升至59%，显著延长了系统能量留存时间。此外汉布尔等人提出了月面原位热储能与发电概念模型，利用聚光器将太阳辐射转化为热能存储在改性月壤中，月夜期间通过斯特林发动机耦合中间换热单元实现热-电转换，预计比功率可达8–11瓦/千克。
   2.3.2 物理储能
   物理储能是指不依赖化学变化，通过物理机制存储太阳能及其二次形式的储能方法，电容储能是典型代表。超级电容器主要通过电极与电解液界面的离子吸附存储能量，区别于传统电池依赖的电化学反应，可实现快速充放电，功率密度显著高于传统可充电电池，同时具备循环寿命长、功率输出高、充放电速率快、运行中材料降解少等优势，在空间领域适用性广泛。但其常规工作温度范围（-60℃至+60℃）无法满足地外环境的严苛要求，近期研究表明通过调控电极材料微观结构可拓展电容器工作温域，以还原氧化石墨烯为电极材料的器件可在-40℃至200℃宽温域内运行。实际应用中，搭载超级电容器的近地轨道（LEO）卫星已成功运行五个月，验证了超级电容器作为空间储能器件的可行性。
   飞轮储能系统是另一类物理储能方法，这类系统通过机电装置存储旋转动能，动能大小由转子角速度与转动惯量决定。飞轮储能系统主要由飞轮（转子）、轴承系统、功率转换单元与辅助部件构成，可实现短周期电能存储与转移，无需充电过程，适用于太阳能、风能等中等规模可再生能源系统。运行时通过加速转子至超高转速存储能量，通过减速转子至完全停止释放能量，典型转子转速范围为20000–50000转/分钟。在月球真空环境下，飞轮转子磁悬浮于密封真空腔内，有效减少了转子与轴承系统的摩擦接触，轴承仅需承受地面重量的六分之一，系统充放电效率高，可达95%左右。实际应用中，NASA的G2型飞轮转速达60000转/分钟，储能容量525瓦时，充放电功率额定值1千瓦。
3. 3.
   空间热电能转换系统：动态与静态路径
   月球热能主要来源于太阳辐射、月球内部放射性衰变及探测设备运行产热，大部分月球热能通过热电转换过程用于发电，其余应用于热调控系统与材料加工，为未来月球基地建设提供关键支撑。根据运行运动特征，热电转换过程分为动态发电与静态发电两类。
   3.1 动态热发电技术
   动态热发电技术中，工质通过不同的热力学循环过程驱动系统内的机械部件运动，机械部件的动能再驱动发电机产生电能，热力学循环主要分为斯特林循环、布雷顿循环与朗肯循环三类。
   3.1.1 斯特林循环发电
   斯特林循环发电依托系统中的斯特林发动机实现发电，斯特林发动机运行于斯特林循环，包含等温膨胀、等容吸热、等温压缩、等容放热四个阶段。斯特林发动机在整个转换过程中工质保持不变，热交换始终在等温条件下进行，热效率高，在余热回收领域优势显著。
   20世纪80年代NASA率先开发出可在空间运行的斯特林发动机，集成于自由活塞热电转换系统中，采用置换器与动力活塞在加压氦气环境中工作，系统比功率接近100瓦/千克。迄今NASA已开发两代空间斯特林发动机：第一代采用带柔性支撑的平衡双β型发动机，第二代采用气体轴承支撑平衡双β型构型的置换器组件。欧空局未专门开发空间用斯特林发动机，牛津大学卢瑟福·阿普尔顿实验室联合开发了输出功率300瓦的β型空间斯特林发动机，实测输出功率390瓦，热效率达32.2%。
   热声发电技术同样采用斯特林循环，但依托系统中的热声发电机实现发电。热声发电机主要由电磁换能器、压电器件、磁流体动力器件与双向涡轮组成，其工作原理是将系统热能转化为声波形式的机械能，再进一步转化为电能。2000年以来欧空局与NASA针对热声发电机开展了多项研发工作：欧空局在一项可行性研究中，将热声-磁流体动力器件集成到空间功率转换系统中；詹森与拉斯佩特开发了高效压电单晶换能器，用其替代电磁换能器后，系统发电效率达到卡诺循环效率的10%；周等人简化了热声发电机架构，将热声发电机中的置换活塞替换为热声管，减少了运动部件数量，降低了系统复杂度与振动敏感性，热声转换效率提升至30%；吴等人开发了千瓦级热声发电机，在摩尔分数4.5%的氩气环境、工作频率64赫兹条件下，系统产生1043瓦时电能，测试结果显示热电转换效率达17.7%。随着热声发电机热电转换效率持续提升，这类新型发电装置在未来空间应用中具备显著潜力。
   3.1.2 布雷顿循环发电
   布雷顿循环发电依托运行于布雷顿循环的发动机产生电能，布雷顿循环的能量转换过程包含等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀、等压放热四个阶段。布雷顿循环发动机通常由加热器、涡轮压缩机、冷却器与回热器组成，系统运行时采用氦氙混合惰性气体为工质，氦在加热器、冷却器与回热器中表现出优异的传热性能，氙有助于调节分子量，优化涡轮-压缩机单元的空气动力学特性，提升效率。
   自20世纪70年代起，NASA持续推进基于闭式布雷顿循环的空间发电系统开发，旨在提升太阳能、核反应堆裂变、放射性同位素衰变等多元热源到电能的热电转换效率，已开发出2–15千瓦级的功率转换单元原型，热电转换效率约30%，累计运行时长超40000小时。21世纪初NASA联合能源部、木星冰卫星轨道飞行器（JIMO）计划与普罗米修斯项目，开发了采用闭式布雷顿循环的空间热电转换系统，设计电功率输出范围为100–200千瓦，核动力转换单元可支持木星冰卫星探测任务。此外为支撑NASA行星表面核裂变动力计划，梅森开发了面向月面与火星表面生产活动的闭式布雷顿循环转换系统，可利用小型核反应堆热源供电，电功率达550千瓦级。
   3.1.3 朗肯循环发电
   朗肯循环发电依托工质相变传递能量，实现热能向电能的转化，与前两类热力学循环不同，朗肯循环以液态形式压缩工质，可大幅降低压缩功。传统朗肯循环发电系统通常包含给水泵、锅炉、蒸汽轮机与冷凝器。
   在美国空间动力计划中，100千瓦及以上功率的热电转换系统通常采用朗肯循环。1955年至1973年，NASA在“空间核辅助动力”（SNAP）计划下首次将朗肯循环发电技术应用于空间热电转换系统，其运行流程为：核裂变反应堆作为主热源，将热能传递给工质，工质受热后推动汽轮机膨胀做功驱动发电机发电，随后经冷凝器冷却凝结，完成循环。SNAP计划期间，NASA对基于朗肯循环的空间热电转换系统进行了多次改进：SNAP-2的热电转换系统采用汞为朗肯循环工质，汞在锅炉中汽化后推动两级轴流式汽轮机对外做功，同时汞蒸气用于冷却发电机，液态汞作为润滑剂，大幅简化了系统架构；SNAP-8将热电转换器升级为四级轴流式汽轮机，锅炉配备逆流换热器与核反应堆钠钾合金回路对接，可有效利用再生热，提升了系统整体热电转换效率，但运行中出现了部件腐蚀问题；SNAP-50在此基础上采用钾为朗肯循环工质，利用锂反应堆一回路的锅炉加热，钾蒸气驱动四级轴流式汽轮机后经冷凝器冷凝，在提升效率的同时减少了部件腐蚀问题。孙等人通过对比钠、钾、铯、铷四种碱金属作为工质的效率、经济性与质量特性，评估了朗肯循环的性能，发现铯与钾循环适用于空间动力系统，而钠因质量较大更适合地面电力系统。
   3.2 静态热发电系统
   静态热发电系统中，电能通过特定材料的内禀物理性质产生，依据能量转换效应的差异，分为热电系统、热离子系统与热光伏系统三类。
   3.2.1 热电系统
   热电系统利用热电转换器在温度梯度下的塞贝克效应发电，热电转换器通常由p型与n型半导体材料配对构成。其性能由无量纲品质因数Z评价，Z由材料的热导率、电阻率与绝对温度共同决定，ZT为功率因子。由于热电转换器采用p-n型半导体材料配对，系统的热电转换效率取决于目标温度区间（含冷热端温度及比值）内具有最高品质因数的材料配对。自20世纪60年代以来，结合核反应堆热源的热电系统已被广泛应用于空间探测任务。SNAP-3B热电系统作为“子午仪4A”与“子午仪4B”导航卫星的无线电发射机电源，热端温度783开尔文、冷端温度366开尔文，电输出2.7瓦；SNAP-9计划的热电系统进一步将冷端工作温度提升至431开尔文，输出功率达26.8瓦；SNAP-19计划的热电系统升级了转换器材料，p型腿替换为TAGS-85、n型腿替换为3M-TAGS，热端温度785–820开尔文、冷端温度430–450开尔文，输出功率40瓦；SNAP-27计划的热电系统为阿波罗月面实验组件供电，热端温度约870开尔文、冷端温度495–547开尔文，输出功率73瓦；百瓦级多任务放射性同位素热电发生器（MHW-RTG）采用硅锗热电偶为热电转换器，热端温度1273开尔文、冷端温度573开尔文，电功率125–157瓦，为LES-8卫星、“旅行者1号”与“旅行者2号”航天器供电；通用热源放射性同位素热电发生器（GPHS-RTG）电输出246–289瓦，为伽利略号、尤利西斯号、卡西尼号、新视野号等重大深空探测任务提供核心动力。
   3.2.2 热离子系统
   热离子发电利用热离子能量转换器（TEC）将热能直接转化为电能，典型TEC由两个主电极构成：高温发射极（阴极）与低温集电极（阳极），二者间为真空间隙，配套包含外部负载与互连电路。其工作机制为：发射极受热后，电子获得足够能量克服材料功函数发射，在低温集电极积累形成电势差，驱动外部电路产生电流。TEC的电流密度由电极材料的理查森常数、发射极功函数与绝对温度共同决定，为获得更高电流密度，TEC发射极需具备更大的理查森常数与相对更低的功函数，这也使得TEC的工作温度受电极材料选择约束。
   热离子能量转换器于20世纪50年代问世，实验条件下热电转换效率达10%–15%。此后NASA与苏联分别开发了多款面向空间应用的热离子系统：1962年NASA完成空间用TEC原型开发并集成到SNAP-13计划中，器件工作温度1600–1700开尔文，电输出12.25瓦，比功率1瓦/千克；苏联同期开发了单管热离子燃料系统TOPAZ II与多管热离子燃料系统TOPAZ I，TOPAZ I热电转换效率超7.5%，发射极工作温度1723开尔文，系统比功率超30瓦/千克，TOPAZ II发射极工作温度约2100开尔文，转换效率较低（5.2%），比功率5.2瓦/千克。1990年斯奈德与斯加马托优化了TEC电极，集电极采用化学气相沉积钨制备、发射极采用定向凝固钨制备，热离子系统热电转换效率约13%，比功率达13.4瓦/千克。2015年欧空局首次引入光子增强热离子发射（PETE）技术，利用太阳辐射光子促进TEC发射极的电子发射，可提升热离子转换效率，搭载PETE的TEC有望成为深空探测的高效供电源。
   3.2.3 热光伏系统
   热光伏（TPV）发电利用TPV电池将热源的热辐射直接转化为电能。TPV系统中，热源通过辐射传热或传导传热与发射体耦合，发射体再将光子发射到TPV电池上，TPV电池将光子能量转化为电子能量，从而产生电能。与STPV技术不同，TPV系统的热源可来自核热能、废热等多种途径，无需依赖太阳辐射。理想条件下系统总效率由吸收体温度、发射体温度与TPV电池温度共同决定，同时受辐射强度影响，热源的红外辐射强度可由斯特藩-玻尔兹曼定律量化，表明通过调控工作温度、提升热源热辐射强度可显著提高TPV系统转换效率。
   20世纪90年代，贝蒂斯国家实验室与诺尔斯原子动力实验室联合首次开发了TPV发电技术；通用原子公司随后开发了毫瓦至瓦级放射性同位素热光伏（RTPV）系统，毫瓦级系统转换