近日，西湖大学未来产业研究中心、工学院王睿团队在这一研究领域取得了重要突破——他们成功让钙钛矿与铜铟镓硒这两种不同口味的“蛋糕”叠在一起，光电转换效率达到23.4%。
更难得的是，这是一种柔性轻薄的叠层太阳电池，其厚度仅相当于一根头发丝的直径，有望在未来应用到建筑、汽车、飞行器、柔性可穿戴设备等不规则表面。
柔性钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池
北京时间2025年2月3日，农历正月初六，相关研究论文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”为题发表于Nature Photonics。
卤化物钙钛矿，毫无疑问是当下的热门研究领域。
得益于材料本身优异的光电性能和易于制备等特点，单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率从2009年报道的3.8%迅速提升到目前约27%的纪录效率，和目前最高效的晶体硅太阳电池的效率相当，两者效率都已接近瓶颈。
如果把两种不同的太阳电池上下叠在一起，效率会不会更高呢?
具体怎么搭建，可以根据需要选择不同的“搭配”：把晶硅太阳电池和钙钛矿叠起来，把柔性薄膜太阳电池和钙钛矿叠起来，或者单纯把钙钛矿和钙钛矿叠起来……这样做，不仅可以大幅提升太阳电池对光能的转换效率，理论极限效率可达40%;也能结合不同材料的特性，与钙钛矿取长补短。
王睿在自己读博的那几年，就试过想把钙钛矿和铜铟镓硒太阳电池叠起来。铜铟镓硒，Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS，是由铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)四种元素组成的化合物半导体材料。作为重要的薄膜太阳电池，它的吸光层薄、稳定性好、抗辐射性强，并且具备产业化基础。
然而，相比钙钛矿+钙钛矿、钙钛矿+硅这两种“爆款”组合，钙钛矿+铜铟镓硒的搭配在过去几年是个绝对的“冷门”研究领域。“目前，这类电池缺乏具有引领性的研究成果，但当下冷门不代表没有研究价值、没有前景。”王睿说，“相反，我一直认为钙钛矿+柔性铜铟镓硒的组合是非常有潜力和未来的，因为它在稳定性和转换效率方面具有先天的显著优势。”
制备叠层太阳电池，如同在微观世界里做蛋糕，是个手艺活。这块“蛋糕”不仅有15层之多，而且对每一层的厚度、均匀性都有严格要求——每一层最好不要有孔洞，不同层的制备往往需要使用不同的仪器设备，并对参数进行严格优化和控制。
总之，光是把这一层层“蛋糕”依次完好地叠起来，就已经足够复杂了。况且，光叠在一起还不够。在两端叠层太阳电池中，上下层的电流大小要能匹配起来。
也就是说，王睿团队要做的不仅仅是“1+1=2”的机械堆叠，更是要让两种太阳电池在叠起来之后“融为一体”，真正地合二为一，实现“1+1>2”的效果。
研发之初，钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的文献报道非常少，这块难做的蛋糕没有多少“食谱”可以参考。第一个半年，实验没有实质性进展，组会讨论时，大家都认为问题出在铜铟镓硒基底上。
“之前的一些文献里经常有提到，制备两端钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的一大挑战在于铜铟镓硒粗糙的表面使得制备高质量的钙钛矿薄膜是困难的。”于是，前期他们把焦点放在了优化铜铟镓硒基底上。
在尝试了无数种优化方式后，铜铟镓硒基底上的钙钛矿薄膜依然充满孔洞，无法形成致密的光吸收层，达不到预期效果。
关注点，从铜铟镓硒切换到钙钛矿薄膜制备工艺本身。
田柳文和王睿商量后决定，跳出之前一直使用同一种钙钛矿薄膜制备工艺的思维定势，在铜铟镓硒基底上多试试其它不同的钙钛矿薄膜制备工艺。
紧接着，他们用同样的工艺制备了完整的叠层太阳电池器件进行测试。果然，第一块叠层太阳电池就测出了不同于往常的具有高开路电压的电流-电压 (J-V) 曲线。
田柳文
接下来的推进就变得顺利许多。王睿团队通过优化钙钛矿层以及其它层的制备工艺，在两端柔性钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池技术上实现了快速突破，光电转换效率不断攀升。
在这个过程中，这个叠层太阳电池的课题小组，还解决了宽带隙钙钛矿的一个痛点。卤化物钙钛矿，是一种不太稳定的软的离子晶体，里头的卤素离子不太安分，容易“乱跑”，也叫“离子迁移”。这个“不安分”的问题在做单结电池时也会遇到，但在制作叠层电池时显得更令人头疼。
研究人员考虑，如果引入多价的阳离子，把原本晶体中的一部分一价阳离子替换掉，是不是可以增强静电相互作用，“抓住”那些爱“乱跑”的卤素阴离子呢?都说一个萝卜一个坑，换进去的阳离子个头自然不能太大。在所有二价有机阳离子中，他们锁定了其中个头最小的那一个——亚甲基二铵阳离子(MDA2+)，也是唯一一个可以原位换进去的二价有机阳离子。
研究人员通过理论计算比较了四种有机小阳离子与钙钛矿无机亚晶格之间的相互作用事实证明，这真是一步妙棋。
引入MDA2+，就像在钙钛矿结构中加入了一个“双倍磁铁”，让那些不安分的卤素离子牢牢地待在晶格中，显著抑制了离子迁移和光致相偏析现象，实现了对钙钛矿“情绪”的有效管理，为提升钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池稳定性提供了重要解决方案。
