发一颗卫星有多贵？光是它翅膀上那对太阳能电池翼，就能占到成本的五分之一。

传统空天用的多结砷化镓电池，一平方米要几十万元，被业内称为“像金子一样昂贵”。它效率高、稳定性好，但工艺复杂，原材料稀缺，成本居高不下。

近日，苏州大学（以下简称苏大）教授张晓宏、刘江等在《自然》发表最新研究论文，其团队制备的钙钛矿晶硅叠层电池获得第三方认证稳定光电转换效率35.1%。“这个效率追平了昂贵的多结砷化镓电池，但预计成本只有不到其1%。”论文第一作者、苏州大学博士后方正告诉《中国科学报》。

 文章共同一作方正（中）、饶志杰（左）丁蕾（右）展示钙钛矿晶硅叠层电池样品。受访者供图

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，最初目标是替代地面晶硅光伏。当时地面晶硅电池的效率约为22%，团队的叠层样品仅略高于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。单结晶硅电池的理论极限约为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高效利用的通道，可将理论转换效率上限提升至43%以上。

经过七八年迭代，团队制备的电池实验室转换效率从20%出头一路冲到了33%，这个数字放在地面上已经是天花板级别的突破。

2025年，团队在柔性叠层电池界面调控上取得的两项系统性突破。2026年1月1日，相关研究的两篇论文同期在《自然》刊出。团队在60微米厚的超薄硅片上实现34.6%的认证效率，在261平方厘米的商业硅片尺寸上实现29.8%，两项均创下柔性叠层电池的世界纪录；器件经43000次极端弯折后，仍保持初始效率的97%。

研究人员在拍摄叠层电池的PL mapping来评估薄膜质量。受访者供图

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。这两项面向空天应用的柔性叠层光伏界面调控成果，入选2025年度“中国科学十大进展”。

“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。

2026 年 9 月，工信部、国家发改委联合发布《电子信息制造业发展“十五五”规划》，把太空光伏列入智能应用场景拓展方向，并要求“突破钙钛矿叠层电池等先进光伏技术”；美国太空探索技术公司（SpaceX）正持续推进“星链”低轨卫星星座的大规模部署，太空算力中心的构想也在同步酝酿。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。

成本降低背后的技术突破

传统空天所用的多结砷化镓电池，轻与高效两项指标至今仍居标杆，但成本一项始终难以突破。其成本之高，非工艺所致，而源于两个长期受限的环节：外延生长设备与吸收层原材料。

该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。受此制约，其单位面积成本可达几十万元。

团队采用的技术路线，是在晶硅电池之上叠加钙钛矿层。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，成本大大降低。

方正表示，团队新研发的新电池，预计每平方米的成本约为数百元。仅就材料成本而言，大约是多结砷化镓电池的1%。

除了缩减成本，新电池的转化效率提升至了35.1%。方正解释，新方法并非简单将两层材料摞起来，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会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厚度仅约几纳米的自组装单分子层，由它选择性提取并输运空穴。然而，单分子层在追求良好导电性的同时，分子之间容易发生强烈的π-π堆叠，进而趋于无序聚集；这会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。

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，使分子在保持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挑战：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。

正是这个界面的突破，把效率从去年的34.6%推到了35.1%。“这个数字差距看起来小，但是在电池领域其实已经是很大的突破了。”方正解释道。

太空不是实验室，还要过几道关

这项成果的研发并非只在高校。

苏大能源学院布局钙钛矿晶硅叠层电池研究时，就把与产业界的联合研发放在关键位置。2023年11月，长期从事钙钛矿晶硅叠层研究的刘江入职苏州大学能源学院，受聘特聘教授。

刘江介绍，在组建多尺度光伏方向课题组时，苏大为团队配置了独立研究队伍、充足科研经费与完备实验平台。同时，江苏省的光伏产业集聚度高，产业资源、企业主体与高端人才高度密集，为本方向开展产学研协同创新提供了优良条件。

团队所研发的叠层电池由两部分构成：底下的晶硅电池由隆基提供并持续优化，顶上的钙钛矿由苏大和西北工业大学合成新材料并在实验室完成，两者通过中间的互联层实现电学连接。

刘江认为，隆基等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，这正是多数高校的短板；而高校的核心优势集中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、长期光照稳定性以及不同温度下的稳定性测试。

除此之外，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，每日循环约16次，一年累计逾5000次，五年即达25000次。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、紫外线辐射会损伤电池，低轨环境特有的原子氧也会缓慢腐蚀电池组件。

此外，太空光伏对电池质量要求则更为严格。运载火箭的发射成本与载荷质量直接相关，电池翼质量越大，付出的发射代价越高。方正表示，功率质量比在太空是硬指标。

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。我们要在地面模拟五年25000次循环，如果电池效率能维持在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://www.nature.com/articles/s41586-026-11226-8#Sec26