西湖大学王睿柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳电池Science Advances:“立体屏障”分子设计攻克界面均匀性难题!

来源:先进光伏发布时间:2025-11-04 10:06:58

论文概览

针对柔性钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)叠层太阳电池中空穴传输层分子聚集导致的界面不均匀、效率损失与机械稳定性差等关键挑战,西湖大学联合多家科研机构创新性提出空间位阻分子设计策略,将平面型咔唑分子重构为三维π共轭骨架。该设计通过立体屏障效应抑制分子间π-π堆积,实现均匀化的选择性接触界面与高质量钙钛矿薄膜。基于该策略,柔性单片钙钛矿/CIGS叠层器件在0.091 cm²面积上实现了26.2%的稳态转换效率(认证效率25.5%),在厘米级面积(1.01 cm²)上实现了25.3%的稳态效率(认证效率24.3%),均为目前柔性两端叠层太阳电池的最高认证效率之一。器件同时展现出卓越的机械稳定性,在10 mm弯曲半径下经历10,000次弯曲循环后仍保持初始性能。该研究以"Homogenizing hole-selective contacts for centimeter-square flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandems"为题发表于Science Advances。

技术亮点

三维分子骨架设计:通过螺环吖啶-芴垂直结构构建空间位阻,将分子间π-π堆叠距离从3.5 Å增至4.2 Å,有效抑制聚集。

均匀化空穴传输界面:分子动力学模拟显示Me-SAF分子分布标准差更低,薄膜粗糙度从4.74 nm降至3.06 nm,表面电势波动从35 mV降至均匀分布。

埋底界面质量提升:钙钛矿埋底界面纳米空洞显著减少,实现外延式柱状晶粒生长,光致发光寿命延长,缺陷态密度降低。

柔性兼容性与稳定性:在粗糙柔性CIGS基底上仍保持优异界面均匀性,未封装器件在空气中连续运行230小时效率保持97%,万次弯曲后性能无损。

研究意义

✅ 突破柔性界面瓶颈:三维分子设计解决柔性基底上空穴传输层聚集导致的界面不均匀问题。

✅ 实现高效厘米级柔性叠层器件:厘米级面积认证效率达24.3%,推动柔性光伏走向实用化。

✅ 兼具高效率与高机械稳定性:万次弯曲循环后性能不衰减,满足可穿戴、航空航天等柔性应用需求。

✅ 建立分子设计新范式:为柔性光电器件界面工程提供普适性分子设计原则。

深度精度

图1通过分子动力学模拟和理论计算揭示了空间位阻对分子聚集的抑制机制,对比平面结构的Me-4PACz与三维骨架结构的Me-SAF在NiOx基底上的分布差异,显示后者通过增加π-π堆叠距离(从3.5Å增至4.2Å)显著降低分子聚集倾向,紫外-可见吸收光谱进一步证实Me-SAF在溶液与薄膜状态下几乎无红移,印证其聚集抑制能力。

图2通过原子力显微镜和开尔文探针力显微镜直观展示了三维π共轭骨架对空穴选择性接触层均质化的提升效果,Me-SAF修饰的基底表面粗糙度(RMS=3.06 nm)显著低于Me-4PACz(RMS=4.74 nm),接触角测试表明其亲水性增强(76° vs 93°),为钙钛矿前驱体溶液的均匀铺展奠定基础。

图3系统比较了基于不同空穴传输层的宽禁带钙钛矿薄膜质量与器件性能,埋底界面KPFM映射显示Me-SAF修饰的基底表面电势分布更均匀,光致发光映射证实其载流子寿命延长,最终使反式钙钛矿太阳能电池效率提升至23.2%,填充因子达83.7%,热导纳谱分析进一步揭示其陷阱态密度显著降低。

图4展示了柔性钙钛矿/CIGS叠层器件的整体结构与性能突破,截面SEM证明Me-SAF在粗糙CIGS基底上仍能形成连续界面,J-V曲线显示冠军器件效率达26.3%(认证25.7%),厘米级器件效率为25.3%(认证24.3%),机械弯曲测试表明在10mm半径下经历万次循环后性能无损,凸显其产业化应用潜力。

结论展望

本研究通过三维π共轭骨架分子设计,成功抑制空穴传输层分子聚集,实现均匀化界面与高质量钙钛矿薄膜,推动柔性钙钛矿/CIGS叠层电池在效率、稳定性与机械性能方面同步突破。该策略不仅为解决柔性光电器件界面不均匀难题提供了新方案,也为未来可穿戴能源、航空航天等高端柔性光伏应用奠定了材料与工艺基础。随着分子工程的进一步优化与大面积制备工艺的成熟,柔性叠层光伏技术有望在效率与可靠性双维度实现商业化突破。

文献来源

Zhou et al., Homogenizing hole-selective contacts for centimeter-square flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandems. Sci. Adv. 11, eadz2781 (2025).https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2781

仅用于学术分享,如有侵权,请联系删除。

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
国内首次柔性钙钛矿光伏组件级在轨验证启动来源:炎和科技 发布时间:2026-09-18 08:41:14

9月17日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射快舟十一号遥三火箭,将天仪51星与52星送入预定轨道。其中,炎和科技自主研发的柔性钙钛矿光伏组件搭载天仪52星进入太空,正式启动国内首次组件级柔性钙钛矿光伏在轨工程化验证。该试验聚焦空间极端环境下的全工况考核,包括高真空、±100℃温度循环、高能粒子辐照及原子氧侵蚀等多因素耦合条件,重点评估组件在热循环疲劳、辐照退化和机械震动下的电学输出特性、连接可靠性与力学稳定性。所有核心性能参数通过星上遥测系统实时回传。区别于以往小尺寸器件的原理性验证,本次任务首次面向工程应用,覆盖电学、连接、力学三大维度,旨在填补国内商业航天领域柔性钙钛矿光伏在轨工程数据空白,标志该技术由实验室研究正式迈入工程化应用验证阶段。(198字)

“链”上发力!极电光能牵头大面积柔性钙钛矿生态型创新联合体成功获批来源:极电光能 发布时间:2026-09-17 09:49:03

近日,由极电光能牵头组建的“无锡市大面积高效柔性钙钛矿太阳能电池与装备技术创新联合体”成功入选2026年度无锡市生态型创新联合体拟建设名单。该联合体聚焦柔性钙钛矿光伏技术产业化瓶颈,如大面积制备、效率与稳定性协同提升及装备适配等共性难题,联合上下游企业、重点高校共同开展系统攻关。作为无锡市“链主”企业,极电光能依托“极创+”量产技术体系,已形成覆盖设计、设备、工艺到运维的全价值链整线解决方案,支撑技术快速向产线转化。此次获批标志着其角色从承担具体任务的技术攻关者,升级为统筹资源、组织协同的产业链创新引领者,旨在提升无锡钙钛矿产业创新集群整体竞争力。(198字)

包头市:布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术来源:包头市人民政府 发布时间:2026-09-11 08:49:42

包头市于9月8日发布《“十五五”时期推动清洁能源产业高质量发展行动方案》,旨在加快构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力老工业基地绿色转型。方案提出到2030年实现新能源并网装机2400万千瓦、储能装机750万千瓦的发展目标,并围绕供给提升、储能扩容、风光制氢、传统能源清洁利用及生物质开发五大方向部署重点任务。在装备升级方面,强调做优晶硅光伏配套(如铝边框、多晶硅芯),同时前瞻性布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术产业,推动技术迭代与本地化配套。此外,方案还系统规划了电网强化、氢能管网、充换电设施、创新平台建设及产业生态优化等支撑举措,突出以新质生产力引领清洁能源全产业链高质量发展。(199字)

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目落地云南来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-09-09 09:24:56

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目在云南丽江落地,依托云南省重大科技专项“绿氢高效制备关键技术研究及应用”,由昆明理工大学、三峡集团云南公司与仁烁光能联合实施。项目突破两大核心技术瓶颈:一是研发出稳定性显著提升的钙钛矿/硅叠层太阳能电池,光电转化效率达33%,双85老化1100小时后性能保持率超90%;二是开发出高性能钴基非贵金属电解水催化剂,实现大电流下高效稳定制氢。配套建成1000Nm³/h“光伏直连制氢”示范工程,年产绿氢320吨,并投运高原适用的集装箱式氢燃料电池热电联产系统,形成覆盖“发电—制氢—储运—用能”的全链条零碳微循环模式。(199字)

强强联合:集能易供货协鑫光能,为叠层钙钛矿规模化应用筑牢系统根基来源:投稿 发布时间:2026-09-08 16:46:17

本文介绍了江苏集能易新能源与协鑫光电在钙钛矿叠层光伏技术产业化上的关键合作。双方联合推动全球首款专用于4T钙钛矿-晶硅叠层组件的“叠层智控器”完成1MW订单交付,标志着该技术从实验室突破迈向规模化商用的重要一步。文章指出,4T叠层技术虽具高效率、宽光谱吸收等优势,但长期受制于顶底电池电压失配、双回路组网复杂、功率离散、热斑损伤及工况衰减等系统级难题。集能易自主研发的智控器通过独立MPPT调控、精细化电气管理与实时异常防护,有效破解上述瓶颈,实现高效发电与长期稳定运行的统一。此次合作打通了“高效组件+智能控制”全链路,填补了国产电力电子配套空白,为工商业及大型地面电站应用奠定基础,助力我国在全球钙钛矿光伏赛道保持领先。(199字)

协鑫集成发布半年报:BC 量产交付加速海外业务持续放量,技术创新筑牢穿越周期底气来源:投稿 发布时间:2026-08-28 21:09:43

协鑫集成于2026年8月28日发布半年报,上半年营收46.40亿元,归母净利润亏损4.30亿元,主要受光伏行业深度调整、国内装机放缓及全产业链价格承压影响。公司通过三大举措积极应对:一是BC技术加速产业化,完成2GW GPC高效电池技改,全黑BC组件实现量产交付,在欧洲户用等高端市场获得溢价,德国订单超100MW,海外累计斩获超1.5GW订单;二是强化成本管控,非银成本下降33.6%,现金周转周期维持个位数,N型组件产能达30GW;三是布局前沿技术,钙钛矿叠层电池效率达33.44%,2000V高电压组件及航天光伏研发取得进展。公司正推进BC产能扩张与多维技术储备,以构建穿越行业周期的长期竞争力。

通威受邀参加首届“钙钛矿+X”叠层光伏产业发展大会,分享规模化制备最新进展来源:通威股份 发布时间:2026-08-27 09:01:37

通威在钙钛矿-晶硅叠层电池领域实现重大突破:首创兼容异质结产线的“气相沉积-溶液两步法”,5MW全自动试验线贯通,商用尺寸电池效率达32.68%,组件功率776W;攻克大面积成膜、UV防护、低应力封装等量产难题,加速迈向商业化应用。

又一晶硅钙钛矿叠层薄膜电池产线正式投产来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-08-21 09:07:53

2026年8月18日,中山市光极绿能新材科技有限公司位于小榄镇的晶硅钙钛矿叠层薄膜电池产线正式投产,标志着该企业推动下一代高效光伏技术产业化取得实质性进展。公司成立于2024年,专注钙钛矿光伏技术研发与转化,产品涵盖叠层薄膜电池及钙钛矿透明发电芯片。当前规划年产透明发电芯片10万平方米,并已签约总投资2000万元的钙钛矿异质结研发生产项目。区别于传统刚性组件,光极绿能聚焦柔性化、轻量化、建筑一体化等差异化方向,契合卫星太阳翼、BIPV、农光互补等新兴应用场景需求。产线投产正值钙钛矿产业由实验室效率突破迈向规模化量产的关键阶段,为其技术从“能做”到“好用”的工程化验证提供了实践样本。(198字)

高纪凡主任领衔科研团队,天合光能首次以第一通讯单位登顶《Nature》来源:天合光能 发布时间:2026-08-20 09:48:21

天合光能联合复旦、东南大学在《Nature》发表钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层电池突破性成果,首次以第一通讯单位登顶该刊。团队攻克宽带隙钙钛矿电压损失与光学失配难题,实现32.22%世界最高稳态效率(16 cm²器件达26.97%),为轻质高效空间光伏提供新路径。

总投资超2亿元!隆基100MW钙钛矿叠层中试线环评报前公示来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-08-11 08:50:20

隆基绿能拟在西咸新区现有厂房内投资2.0353亿元,建设一条100MW高效晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池中试产线。该项目属改建性质,依托已备案的“隆基股份中央研究院一期中试项目”场地与配套设施,占地4000平方米。建设内容包括引进钙钛矿薄膜沉积、快速晶化及功能层薄膜沉积等关键装备,旨在开展新型叠层电池的技术研发与中试验证。项目聚焦提升光伏电池转换效率,推动晶硅与钙钛矿材料的集成应用,是隆基布局下一代光伏技术的重要产业化尝试。目前该环评报告已完成编制,进入报批前公示阶段。

上海叶烁数字喷墨与爱旭股份联合技术攻关 ——喷墨打印钙钛矿薄膜均匀性精准调控来源:索比光伏网 发布时间:2026-08-07 16:14:13

本文介绍了上海叶烁数字信息技术公司与光伏企业爱旭股份联合攻关钙钛矿/晶硅叠层电池量产难题的成果。针对大绒面晶硅底电池上钙钛矿薄膜均匀成膜难的核心瓶颈,双方构建了“设备–材料–工艺”三位一体协同优化体系:设备端通过高耐腐墨路系统与智能化波形调控,实现皮升级墨滴体积变异系数<3%;材料端建立溶剂挥发动力学模型,精准匹配喷头流变窗口(Z≈2–6),抑制咖啡环效应;工艺端创新引入毫秒级预结晶技术,消除湿膜梯度,提升结晶均一性。该方案已实现实验室1 cm²器件约30%转换效率,并在210×105 mm²大面积薄膜中达成PL映射相对标准差低至2.4%,验证了喷墨打印技术迈向GW级量产的可行性与可靠性。