河南高教：破解“轻质”与“高强”困局！郑州轻工业大学为空间柔性太阳能电池“减负增肌”

9月2日，河南高教以《破解“轻质”与“高强”困局！郑州轻工业大学为空间柔性太阳能电池“减负增肌”》为题，报道我校李彬老师团队相关科研成果。原文如下：

柔性砷化镓太阳能电池因光电转换效率高、耐辐射性能优异，是卫星与航天器电源系统的核心组件。然而，承载电池的基底材料必须同时满足轻量化与高强度的严苛要求——减重以降低发射成本，增强以抵御力学冲击。

近日，郑州轻工业大学电子信息学院、集成电路学院、河南省信息功能材料与传感技术重点实验室李彬老师团队联合上海交通大学、上海空间电源研究所、上海海洋大学及上海应用技术大学，在《纳微快报》（Nano-Micro Letters）（中科院一区TOP期刊，影响因子38.5）上发表题为“共价有机框架锚定碳纳米管/聚酰亚胺助力超薄高强聚酰亚胺薄膜用于高比功率柔性砷化镓太阳能电池”（Covalent organic framework-anchored carbon nanotubes enabling ultra-thin robust polyimide films for high-specific-power flexible GaAs solar cells）的研究论文。研究团队创新性地提出一种“共价锚定+网络构筑”策略，通过在碳纳米管表面原位生长共价有机框架（COF）壳层，成功破解了传统复合薄膜“轻质”与“高强”难以兼得的困局，为下一代空间高比功率光伏系统提供了理想的“轻薄强韧”基底方案。

超薄柔性PI基砷化镓太阳电池结构图

柔性砷化镓基III-V族太阳能电池因其优异的光电转换效率和良好的机械强度，在卫星和航天器电源系统中应用广泛。对于航空航天等空间受限场景，在不牺牲性能的前提下实现高比功率（功率/质量）是核心追求，这对柔性基底材料提出了“更轻、更薄、更强”的严苛要求。聚酰亚胺（PI）薄膜虽凭借出色的力学性能和热稳定性成为理想基底候选，然而传统PI薄膜密度超过1.3 g/cm3，引入孔隙虽能降低重量却会严重劣化力学性能——“轻质”与“高强”难以兼得是长期困扰该领域的瓶颈。为增强多孔PI薄膜，研究者常引入碳纳米管（CNT）作为填料，但物理共混方法面临CNT团聚、界面结合弱、三维增强网络难以构建三大难题。因此，如何在降低基底密度的同时保持甚至提升力学性能，是通往高比功率柔性太阳能电池实用化道路上亟待突破的关键科学问题。

MWCNT-COF杂化材料的合成路线及超薄柔性PI薄膜增强机理

针对上述瓶颈，该研究跳出以往单纯引入CNT填料的框架，提出了一种MWCNT-COF杂化材料，将其引入PI前驱体中原位聚合。该材料巧妙地实现了“一石三鸟”的增强效果：在结构层面，MWCNT作为刚性骨架提供力学支撑，COF壳层通过共价键与PI基体实现化学连接、确保高效载荷传递，三维互联多孔结构则赋予薄膜低密度特性。区别于传统物理共混，这种“共价锚定”策略从源头破解了CNT团聚、界面薄弱、三维网络缺失三大难题。研究团队通过溶剂热合成路线，在羧基化碳纳米管表面原位生长出共价连接的PI基COF壳层，傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱及X射线光电子能谱等多维度表征证实了COF的成功锚定与结构有序性；SEM研究表明，复合材料断裂时主要断裂在基体附近而非界面拔出，证实了载荷传递效率的大幅提升。高斯计算进一步从分子层面揭示，MWCNT的引入有效扩展了共轭体系、缩小了HOMO-LUMO能隙，有利于电子离域与界面稳定。

超薄衬底在柔性砷化镓太阳能电池上的应用

在性能层面，仅6微米厚的复合薄膜交出了拉伸强度97.53 MPa、杨氏模量1.53 GPa、密度仅0.73 g/cm3的亮眼成绩单——相比纯PI薄膜，强度提升35.4%、模量提升109%、密度降低45.1%，一举打破了“轻质”与“高强”难以兼得的困境。水接触角测试表明，2 wt%掺杂时复合薄膜接触角超过80°，疏水性显著增强，有效降低了水汽对电子器件的不利影响；热重分析显示500 °C以下无明显质量损失，满足了空间应用对热循环稳定性的要求。基于该超薄膜基底，研究团队制备的双结和三结柔性砷化镓太阳能电池分别实现了8998 W/kg和7749 W/kg的超高比功率，外量子效率在300-1200 nm波长范围内超过90%，且在10 mm弯曲半径下循环弯折2000次后性能衰减极小，展现出卓越的机械柔性与耐久性。这一性能组合优于目前文献报道的多数同类器件，为空间高比功率光伏系统提供了极具潜力的技术方案。

该研究获得国家自然科学基金、河南省研究生教育改革与质量提升工程项目、河南省青年科学基金、中原科技创新领军人才、上海市自然科学基金面上以及中国航天科技集团第八研究院校企合作基金等项目的支持。

郑州轻工业大学李彬老师为第一作者，上海交通大学胡南滔副研究员、上海空间电源研究所孙利杰研究员、上海海洋大学刘璇教授及上海应用技术大学邵枫老师为共同通讯作者。

论文访问链接：https://doi.org/10.1007/s40820-026-02326-1

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