我国科学家成功研制柔性晶硅钙钛矿叠层太阳能电池 为航天器太空运行提供新型能源保障

问题——在远离地面电网的太空环境中,航天器与各类载荷设备必须依靠自身能源系统维持长期运行。

太阳能光伏因可持续、能量密度高、技术成熟,已成为航天供电的主力方案。

但随着任务周期延长、载荷功耗提升以及复杂空间环境带来的温度循环与辐照影响,传统单结电池在能量获取效率、材料耐久性以及结构适配性方面逐渐显现短板。

特别是面向可展开、可折叠的航天结构和空间应用场景,柔性太阳能电池既要“轻薄可弯折”,又要“高效且稳定”,技术门槛高、工程难度大。

原因——从光电转换机理看,单一材料对太阳光谱的吸收存在天然局限:只能更有效地利用某一段波长的光能,其他波段利用率较低,导致能量转化存在“天花板”。

叠层技术的核心思路,是将不同带隙特性的材料进行分层组合,让各层分别捕捉更适合自身吸收的光谱区间,从而扩大对太阳光的利用范围并减少能量损失。

此次研发的晶硅与钙钛矿叠层方案,正是利用晶硅在产业化与可靠性方面的优势,叠加钙钛矿在光谱响应与制备潜力方面的特点,以实现更优的综合性能。

然而,叠层结构在柔性形态下同时满足高效率与高稳定性并不容易:不同材料的界面匹配、机械弯折下的微裂纹风险、热胀冷缩引发的应力集中,以及长期辐照和环境因素造成的性能衰减,都会影响电池输出和寿命。

破解这些“效率—稳定性—柔性”三者之间的矛盾,是叠层柔性电池走向实际应用的关键。

影响——该团队在柔性晶硅—钙钛矿叠层电池上取得突破,意味着我国在新型高效光伏与空间能源关键技术方面再进一程。

一方面,叠层结构能够更充分利用太阳光,提升单位面积发电能力,在航天器表面积受限、结构受重力与材料强度约束的条件下,有助于以更小的展开面积获取更高电力输出,从而提升任务设计的自由度。

另一方面,稳定性问题的阶段性解决,将为长期在轨运行提供更可靠的电力支撑,尤其对高功耗、连续运行的空间应用具有现实意义。

随着空间信息基础设施加速布局,未来太空数据处理、通信中继等新型载荷可能持续增加,对电源系统提出更高要求,更高效、更轻量、更可适配的柔性光伏技术将成为重要支撑。

对策——从科研到工程应用,仍需在标准化与系统化方面持续推进:一是围绕叠层界面工程、封装与防护体系开展更长期的稳定性验证,形成可复现、可量化的评价指标,增强技术可推广性;二是强化从材料、器件到组件的协同设计,面向弯折、振动、温度循环等工况建立更贴近任务需求的测试体系,推动成果从实验室走向工程样机;三是结合航天任务特点优化系统集成,统筹电池组件与结构、热控、电源管理等子系统的匹配,提升整机效率与可靠性;四是推动产学研用协同,围绕关键材料制备、工艺窗口控制与规模化一致性开展攻关,降低制造成本、提升良率,为更大范围应用铺路。

前景——从全球能源技术演进看,高效叠层光伏被普遍视为下一代光伏的重要方向之一,而“柔性化”则对应更广阔的应用边界:除航天领域外,在应急供电、移动装备、特种场景能源保障以及轻量化建筑集成等方面也具备想象空间。

此次成果发表于《自然》,体现出其在学术创新与技术突破上的国际关注度。

未来,随着关键技术进一步成熟、工程验证持续积累,叠层柔性光伏有望在更复杂环境中实现更稳定输出,并在空间电力系统升级中扮演更重要角色。

同时也应看到,技术从“可用”到“规模化应用”通常需要跨越工艺一致性、长期可靠性与成本控制等多重关口,这既是科研持续攻关的方向,也是产业链协同发力的着力点。

从实验室的创新火花到太空中的能量之源,这项研究不仅诠释了"材料基因工程"的战略价值,更展现了我国科研工作者直面"卡脖子"难题的攻坚智慧。

在碳中和目标与太空经济崛起的时代交汇点上,中国正以自主创新为笔墨,书写着新能源技术发展的新篇章。