■本报见习记者 金梦婷
对一颗卫星而言，能源的重要性不言而喻。仅那对太阳能电池翼，就占到成本的1/5。
传统空天用的多结砷化镓电池，效率高、稳定性好，但工艺复杂、原材料稀缺，成本居高不下，一平方米要几十万元，被业内称为“像金子一样昂贵”。
与此同时，相应的需求还在增加：无论是拓展太空光伏技术，还是推进低轨卫星星座的大规模部署，甚至构建太空算力中心，这些应用场景对电源系统的共同要求是质量轻、效率高、成本可控的太阳能电池翼。
近日，苏州大学（以下简称苏大）教授张晓宏、刘江团队牵头制备的钙钛矿晶硅叠层电池获得35.1%的稳定光电转换效率并获得第三方认证。相关成果发表于《自然》。“这追平了多结砷化镓电池的效率，但预计成本不到其1%。”论文第一作者、在苏大从事博士后研究的方正告诉《中国科学报》。
从地面光伏到空天光伏
这项研究并非以太空为起点。2018年团队开始从事钙钛矿晶硅叠层电池相关研究时，目标是替代地面晶硅光伏。当时地面晶硅电池的光电转换效率约为22%，团队的叠层样品效率仅略高于20%。
所谓钙钛矿晶硅叠层电池，是将两种吸光材料上下叠加：顶层为钙钛矿电池，主要吸收可见光；底层为晶硅电池，主要吸收钙钛矿难以利用的长波段红外光。单结晶硅电池的光电转换效率理论极限为29.4%，其中相当一部分损耗来自高能光子的能量以热的形式散失。叠层结构为这部分能量提供了高效利用的通道，可将理论光电转换效率上限提升至43%以上。经过七八年迭代，团队制备的电池在实验室中的转换效率提升至33%。
2025年，团队在柔性叠层电池界面调控方面取得了两项突破。今年1月1日，这两个研究成果同期发表于《自然》。团队在60微米厚的超薄硅片上实现了33.6%的认证效率，在261平方厘米的商业硅片上实现了29.8%的认证效率，创下柔性叠层电池的两项世界纪录；器件经43000次极端弯折后，仍保持初始效率的97%。
这为行业提供了一个新的判断：叠层电池不仅可用于地面，也具备空天应用的可能。“我们发现这个技术的效率能够对标太空光伏，并且成本优势突出。基于这一特点，我们调整方向，重点开发附加值更高、应用性更强的产品，主动对接国家发展战略。”方正说。
降低成本背后的技术突破
传统空天所用的多结砷化镓电池的高成本并非工艺所致，而是源于两个长期受限的环节：外延生长设备与吸收层原材料。
这类电池的外延生长依赖金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备，核心装备长期依靠进口，产线投入较高；其吸收层所用原材料多为稀有金属，价格昂贵且供给受限。
相比之下，团队采用的在晶硅电池上叠加钙钛矿层的技术路线大幅降低了成本：钙钛矿可采用溶液法低温涂布制备，无需高温扩散与昂贵真空设备，原材料亦为常见元素。方正表示，新电池每平方米的成本约为数百元。仅就材料成本而言，不到多结砷化镓电池的1%。
不过，新方法并非简单将两层材料叠加起来，而是涉及一个关键的技术创新。
为提升光吸收能力，晶硅底电池表面通常被刻蚀成密集的金字塔绒面，形成明显的微观起伏。钙钛矿与晶硅之间需要沉积一层约几纳米厚的自组装单分子层，由它选择性提取并输运空穴。然而，单分子层分子之间容易发生强烈的π-π堆叠，进而趋于无序聚集，导致它在金字塔尖峰等起伏部位难以实现均匀覆盖，局部区域因此裸露，载流子在这些位置发生复合损失。
对此，团队提出的方案是“空间共轭”分子设计：在分子内部引入可控的扭转，保持分子电荷传输能力的同时，抑制分子间的过度堆叠，从而在粗糙绒面上实现较为均匀的保形覆盖，覆盖率超过80%。
审稿人认为，这项工作回应了该领域一个真实而重要的难题：在粗糙的金字塔织构上，如何既保住分子的共轭程度与导电能力，又实现贴合表面的均匀覆盖。
正是这个界面上的突破，将电池的光电转换效率从33.6%提升到了35.1%。“这个数字差距看起来小，但在电池领域其实已经是很大的突破了。”方正说。
进入太空还须过几道关
这项成果的研发集合了高校和企业共同的力量。 团队所研发的叠层电池底部的晶硅电池由隆基绿能科技股份有限公司提供并持续优化，顶部的钙钛矿电池由苏大和西北工业大学合作研发。
在刘江看来，头部企业拥有雄厚的工程化能力，可快速推进技术放大，实现产品的高可靠性与稳定性；而高校的核心优势体现在原始创新与机理解析层面，二者形成优势互补、各有侧重的分工格局。
产业界的参与，也让这项研究的验证走得更远。除效率认证外，团队已完成弯曲试验、高低温循环、长期光照稳定性及不同温度下的稳定性测试。
而钙钛矿晶硅叠层电池想要真正实现太空应用，还须通过一系列极端环境适应性考验。
太空环境与地面差异显著。低轨卫星在轨运行期间，需承受-120℃至150℃的冷热交替，膜层材料在反复热胀冷缩下容易开裂。与此同时，太空中高能粒子、紫外线辐射会损坏电池，低轨环境特有的原子氧也会缓慢腐蚀电池组件。
针对这些难题，团队下一步计划进行各种极端环境下的验证测试，特别是长时间的高低温循环测试。“我们将在地面模拟5年25000次循环，电池效率要维持在80%以上，才能达到产业化的可行性要求。”刘江说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11226-8
