研究内容
随着可穿戴电子、物联网和医疗植入设备对轻量化、高功率密度能源需求的日益增长，超柔性钙钛矿太阳能电池（u-FPSCs）因其优异的力学性能和较高的功率重量比，成为下一代便携式能源系统的理想选择。然而，长期以来，u-FPSCs的发展受限于其在空气中的快速降解与机械稳定性不足，严重制约其实际应用。尽管近年来其在光电转换效率方面已取得显著进展，最高可达22%以上，但关于其在复杂工况下的长期稳定性研究仍极为匮乏，尤其是同时兼顾高柔韧性与高环境稳定性的系统研究尚未见报道。
2025年11月14日，上海交通大学溥渊未来技术学院、张江高等研究院戚亚冰教授团队在《Joule》上发表了题为“Dual hole transport layer for ultra-flexible perovskite solar cells with unprecedented stability”的研究论文。该研究创新性地将NiOₓ纳米颗粒与[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸自组装单分子层结合，构建了双空穴传输层结构，并引入超薄Al₂O₃阻隔层，成功实现了兼具高效率、高柔性及超高环境稳定性的u-FPSCs。
研究团队采用透明聚酰亚胺作为柔性基底，结合非晶ITO电极，在低温工艺下制备了p-i-n型器件结构。通过系统优化NiOₓ与2PACz的界面匹配性，实现了对钙钛矿层结晶质量与能级对齐的精准调控。UPS与LEIPS测试表明，2PACz的引入显著提升了NiOₓ的功函数，使其价带从‑4.8 eV上移至‑5.4 eV，与钙钛矿价带形成更佳匹配，从而有效提升了开路电压至1.15 V。此外，XPS分析进一步证实2PACz可降低NiOₓ中Ni³⁺/Ni²⁺比例，抑制界面非辐射复合，增强器件稳定性。
在性能方面，基于NiOₓ/2PACz双空穴传输层的u-FPSCs实现了20.3%的冠军效率，平均效率达17.9%，是目前报道的倒置结构u-FPSCs中的最高值。更引人注目的是，该器件在惰性气氛中连续运行1200小时后，功率输出几乎无衰减；在空气中，通过在其两侧沉积15 nm厚的Al₂O₃阻隔层，器件的T₉₀和T₈₀分别提升至130小时与260小时，创造了u-FPSCs在空气中的最长稳定运行纪录。
在机械稳定性方面，该器件在经历1000次弯曲与折叠循环后，效率仍保持95%以上，展现出优异的形变耐受性。此外，研究团队还系统评估了器件的单位重量功率，在添加parylene-C/Al₂O₃封装后，其单位功率仍达27.2 W g⁻¹，显示出在轻量化能源系统中的巨大潜力。
该研究不仅首次将NiOₓ/2PACz双空穴传输层体系成功应用于u-FPSCs，还通过引入超薄Al₂O₃阻隔层，为解决柔性钙钛矿器件在空气中的稳定性难题提供了切实可行的技术路径。该成果为未来可穿戴电子、无人机、医疗植入设备等领域的自供能系统开发奠定了坚实的材料与器件基础。
研究亮点
1、提出NiOₓ/2PACz双空穴传输层结构，有效调控能级对齐并提升界面稳定性，实现超柔性钙钛矿电池20.3%的效率，为目前同类器件最高水平。
2、引入15 nm Al₂O₃双侧阻隔层，显著提升器件在空气中的环境稳定性，T₉₀达130小时，创下超柔性钙钛矿太阳能电池的最长稳定运行纪录。
3、器件在千次弯曲与折叠测试后效率保持率超95%，兼具高机械柔性与单位功率输出，适用于未来可穿戴设备与物联网能源系统。
图文详情
图1 超柔性钙钛矿太阳能电池的结构与性能
图2 双空穴传输层的表征
图3 超柔性钙钛矿太阳能电池的稳定性
研究结论
本研究通过构建NiOₓ/2PACz双空穴传输层与超薄Al₂O₃阻隔层，成功实现了高效率、高柔性且具备优异环境稳定性的超柔性钙钛矿太阳能电池。该器件在空气中T₉₀达130小时，机械测试千次后效率保持率超过95%，单位功率达27.2 W g⁻¹，系统解决了u-FPSCs在实际应用中面临的环境与机械稳定性难题。该工作为发展下一代可穿戴电子、物联网及医疗植入设备的自供能系统提供了重要的材料策略与器件范例，推动了柔性钙钛矿光电器件从实验室走向实用化进程。
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102209
