33.4%效率!柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池突破,可弯曲4.3万次不衰减

来源:材料科学通发布时间:2025-11-12 09:19:48

当太阳能电池既能高效转化光能,又能随意弯折、轻薄如纸,光伏应用的边界将被彻底打破。一项发表于《自然》杂志的研究,通过创新的“双缓冲层”设计,成功制备出效率高达33.4%、可反复弯折4.3万次的柔性叠层太阳能电池,为可穿戴能源、建筑一体化光伏等领域带来革命性突破。

一、研究背景与挑战

钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其超越单结电池的理论效率极限,成为下一代光伏技术的研究热点。然而,柔性叠层电池在弯折过程中易发生界面剥离,尤其在后续溅射沉积透明电极时,离子轰击会加剧材料损伤,严重影响器件的机械稳定性和使用寿命。

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二、研究亮点

  • 首次提出“致密/疏松”双缓冲SnOₓ层策略,兼顾电荷提取与应力释放;
  • 小面积(1 cm²)电池认证效率达33.35%,大面积(260 cm²)组件效率达29.8%,创柔性光伏纪录;
  • 功率重量比高达1.77 W/g,远超现有柔性电池;
  • 经4.3万次弯曲、250次冷热循环后,效率仍保持97%以上,具备极强机械与环境稳定性。

三、核心机理

研究团队通过调控原子层沉积过程中的吹扫时间,制备出两种结构迥异的SnOₓ层:

  • 致密SnOₓ层(吹扫10秒):具有良好的电荷提取与界面钝化能力,保障高效率;
  • 疏松SnOₓ层(吹扫2秒):呈现多孔结构,可有效吸收溅射与弯折过程中的应力,防止界面剥离。 双层协同作用,既保护底层钙钛矿与C₆₀层,又维持高效电子传输路径。

四、机理验证与对比实验

  • 剥离实验显示,疏松SnOₓ层样品的粘附功比致密层高5倍;
  • 微观应变分析证实,疏松层显著降低钙钛矿薄膜的内应力;
  • 光致发光成像表明,双缓冲层器件在弯曲后仍保持均匀发光,无界面退化;
  • 认证效率经NREL与Fraunhofer ISE双重验证,效率与稳定性均达行业顶尖水平。

五、总结与展望

本研究不仅突破了柔性叠层太阳能电池的效率与耐久性瓶颈,更展示了一种通用性强的界面应力管理策略,适用于多种柔性光电器件。未来,该技术有望推动:

  • 可穿戴电子设备的自供电系统;
  • 轻型化、可卷曲的光伏发电产品;
  • 建筑表面一体化柔性光伏组件。 这项成果标志着柔性光伏技术正式步入“高效率+高可靠”并重的新阶段。

参考文献
Fang, Z. et al. Flexible perovskite/silicon tandem solar cell with a dual buffer layer. Nature (2025).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09835-w

责任编辑:周末
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