我国柔性光伏技术实现重大突破 叠层太阳能电池为太空探索提供新动能

问题——在航天任务与空间基础设施加速布局背景下,电力供给的可靠性与续航能力成为制约长期运行的重要因素。

太空环境难以依赖地面电网,航天器、载荷平台以及未来可能出现的太空数据中心等设施,需要在强辐照、温差变化和长期服役条件下保持稳定供电。

传统单结太阳能电池受材料带隙与光谱利用限制,进一步提升效率空间有限;而柔性器件虽具轻量、可弯折等优势,却往往在效率与稳定性之间难以兼顾,成为走向工程化的关键瓶颈。

原因——从光伏发电机理看,单一材料在吸收太阳光时只能高效覆盖部分波段:高能光子可能以热损方式损失,低能光子则难以被有效吸收,导致能量利用受限。

叠层路线通过将不同带隙材料“分工协作”,分别吸收不同波长光子,从而提高总体光电转换效率。

然而,在柔性叠层结构中,各层材料的界面匹配、制备温度窗口、机械应力下的结构完整性及长期环境稳定性,都会放大工艺难度;尤其是钙钛矿材料对湿热与辐照更为敏感,若封装与界面处理不到位,性能衰减会影响寿命与可靠性。

影响——此次苏州大学张晓宏教授团队研发的柔性晶硅—钙钛矿叠层太阳能电池,针对柔性叠层器件在效率与稳定性方面的核心难题提出解决方案。

通过叠层结构使两类材料在光谱响应上形成互补,可在同等受光面积下获取更多可转化能量,为“单位面积更高发电、单位质量更高比功率”的目标提供技术支撑。

对航天领域而言,电源系统的性能直接关系到载荷能力、任务寿命与系统冗余配置:更高效率意味着在面积受限条件下提升供电能力,更优稳定性则有助于降低维护与备份成本、提升长期运行的可预期性。

对未来空间算力与数据处理设施而言,能源是决定规模和运行时间的基础要素,稳定光伏供电能力的提升,将为长期驻留式空间设施提供更现实的能源选项。

对策——从产业与工程化角度看,叠层柔性电池要走向规模应用,需要在关键环节形成系统化布局:一是持续优化界面层与封装体系,提升抗辐照、抗温差循环等环境适应能力,建立面向空间工况的评价标准与寿命模型;二是推进与航天电源系统的集成验证,围绕折叠展开、结构贴合、热控匹配等工程需求开展协同设计;三是加强关键材料与制备装备的国产化与一致性控制,解决柔性叠层器件在大面积制备、良率、成本与可靠性之间的平衡问题;四是推动“科研—工程—应用”链条贯通,通过地面加速试验与在轨演示相结合,加快技术从实验室成果走向任务应用。

前景——从技术演进趋势看,叠层化与柔性化正成为高性能光伏的重要方向。

随着深空探测、空间站应用拓展以及低轨卫星规模化运行,空间能源需求将呈现更长寿命、更高功率密度、更强环境适应性的特征。

晶硅与钙钛矿的叠层组合具备较强的效率提升潜力,若在稳定性与可制造性上持续突破,有望在航天电源、可展开太阳翼、柔性曲面供电等场景加速落地,并对地面高端应用如轻量化移动电源、特种装备供能等形成技术溢出效应。

相关成果发表于《自然》,也体现了我国在新型光伏材料与器件集成领域的创新能力持续增强。

从实验室的微观突破到太空中的宏阔应用,这项研究生动诠释了"四个面向"的科研导向。

在碳中和目标与航天强国建设的时代背景下,中国科学家正以原创性技术打破国外柔性光伏专利壁垒,其意义不仅在于点亮浩瀚星空的航天器,更在于为人类可持续能源未来提供了新的中国方案。

随着技术迭代与产业协同的深入推进,柔性光伏或将成为我国高端制造又一张"金色名片"。