我国科学家突破柔性光伏技术瓶颈 叠层电池为航天供电提供新方案

问题:航天任务和空间信息基础设施快速发展,对能源供给提出了新要求。航天器、空间平台和未来可能大规模部署的太空数据中心无法接入地面电网,必须依靠自身能源系统。这些系统需要高效率、强环境适应性和长期稳定性。传统单结光伏电池受材料物理特性限制,效率提升空间有限。柔性叠层电池被视为突破方向,但弯折应力、界面匹配和环境耦合等因素影响下,往往难以同时实现效率提升和稳定运行,限制了其在复杂工况中的应用。 原因:叠层太阳能电池的原理是利用不同材料对不同波长光的吸收特性。晶硅在近红外波段表现好,钙钛矿在可见光波段吸收效率高,两者叠加可以拓宽光谱利用范围,提高转换效率。但柔性形态下面临更多挑战:多层结构的界面质量直接影响载流子传输,界面缺陷会降低效率并引发衰减;柔性基底的机械形变会导致微裂纹和层间剥离;空间环境的强辐照和温度循环对器件封装和稳定性要求更高。因此,提升叠层柔性电池效率必须同步解决寿命和稳定性问题,才能满足航天长周期任务需求。 影响: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在关键环节实现突破,针对效率与稳定性两大核心问题形成系统改进,对应的成果发表于《自然》。此进展具有多重意义:在单位面积发电能力上,叠层结构可为航天器提供更高功率密度,在相同展开面积下获得更多电能,或在满足功率需求前提下减少面积与质量;柔性特性提升了结构设计自由度,适配可展开、可卷收等新型构型,拓展空间平台的工程实现路径;稳定性提升直接关系长期任务的可维护性和全寿命周期成本,对深空探测和长寿命在轨平台运行有现实意义。随着空间信息产业发展,供电能力不仅影响载荷运行,也制约通信、计算、传感等系统能力,该成果对提升空间系统综合效能具有基础支撑价值。 对策:推动科研成果从实验室走向工程应用需要合力推进。一上要面向空间应用开展贴近实际的验证,包括辐照、温度循环、真空与机械振动等多维度可靠性测试,建立寿命衰减机理模型,为工程设计提供量化依据。另一方面要加快叠层柔性电池的工艺一致性和规模化制造研究,围绕材料制备、界面控制、封装工艺等形成可复制的质量控制方案。此外还需完善标准与评价体系,推动形成覆盖效率、质量功率比、耐辐照与环境适应性的综合指标,促进技术路线的客观比较与优化。 前景:叠层光伏被认为是提升光电转换效率的重要方向,柔性化对应更广泛的应用形态。随着航天任务密度提升和轨服务需求增加,空间能源系统将向高功率密度、高可靠和模块化方向发展。柔性晶硅—钙钛矿叠层电池若在工程化验证、成本控制和长期稳定运行上持续进展,有望在航天器主电源、可展开能源帆板、空间平台供电等场景率先应用,并带动地面高端应用和新型能源装备发展。从更长远看,面向空间计算与数据处理需求增长,稳定高效的光伏供能将成为空间基础设施的重要支撑。

能源是人类文明进步的基础,太空探索对能源技术提出了极限挑战;苏州大学团队的此创新成果为航天器长期稳定运行提供了有力保障,也反映了我国科技工作者在关键领域的执着追求和创新精神。随着柔性光伏技术的完善和推广应用,这项技术有望在更广泛的领域发挥重要作用,为太空探索和能源转型做出更大贡献。