钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池兼具高效率与低成本的优势，具有巨大的发展潜力。两端电池结构中，晶体硅（c-Si）底电池与宽带隙（1.65-1.7 eV）钙钛矿顶电池直接串联，能够高效地利用不同波段的太阳光：高能光子被钙钛矿吸收，透射的低能光子则被晶硅底电池捕获。近年来，通过宽带隙钙钛矿组分与添加剂工程、界面修饰策略以及叠层电池的光学和结构优化等多方面努力，钙钛矿-晶硅叠层电池的光电转换效率达到34.9%，成功超越单结电池的理论效率极限，是当前光伏技术领域最具潜力的研究方向之一。而柔性的钙钛矿-晶硅叠层电池在航空航天电源、可穿戴电子设备、便携式能源、曲面建筑一体化光伏（BIPV）及物联网（IoT）等场景将具有更广阔的应用前景。然而，柔性钙钛矿-硅叠层电池的发展长期明显滞后于刚性器件，晶体硅本征刚性传统上限制了器件的弯曲能力，同时界面功能层在反复弯折和温度循环下极易发生剥离与失效，导致稳定性和寿命远逊于刚性电池。近期，《自然》杂志同时发表的两项柔性钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池的研究，报道了该方向效率及稳定性的重大进展。
在第一项研究中，苏州大学张晓宏、刘江联合隆基绿能科技的何博、徐希翔和李振国等人报道了一种“双缓冲层”策略，针对电子传输层上面的氧化锡（SnOx）界面缓冲层，该研究团队通过在其原子层沉积的制备过程中调控吹扫时间，制备了具有不同致密度的两层SnOx薄膜，较长时间吹扫所制备的致密层能提供良好的电荷提取和电学接触，而疏松层可作为应力释放层，有效缓解后续溅射透明电极过程中离子轰击以及实际工作中形变带来的机械应力损伤。基于该结构制备的柔性钙钛矿-晶硅（约60微米厚度）叠层电池，在1 cm²面积上获得33.4%的认证效率；在约260 cm²晶圆级组件上实现29.8%的认证效率，首次实现了晶圆级柔性叠层电池，且大面积器件功率/重量比达到1.77 W/g，轻量化优势卓著，凸显其大规模轻质光伏应用潜力。基于该技术的柔性叠层器件在温差循环（-40 ℃至85 ℃）老化250个周期后保持了97%的初始效率；在43000次弯折（弯曲半径42 mm）后也保持97%以上的初始效率，实现了优异的机械韧性。
图1. 使用双缓冲层氧化锡的柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池，性能分析及各项参数对比。(a) 基于双面织构柔性硅异质结底电池的单片钙钛矿-硅叠层太阳能电池示意图；右侧扫描电镜截面图显示顶部钙钛矿电池结构及约60 μm厚超薄硅片。(b) 原子层沉积制备致密SnOx层与疏松SnOx层。(c) 致密与疏松SnOx层的高分辨透射电镜（TEM）图像几何相位分析（GPA）。(d) 稳态光致发光（PL）光谱。 (e, f) 电流密度-电压（J-V）曲线及最大功率输出点。 (g) 60 μm厚硅片M6尺寸轻质钙钛矿/硅叠层太阳能电池折叠照片。(h) 封装叠层太阳能电池的热循环测试（-40 ℃至85 ℃）。(i) 晶圆级轻质未封装叠层器件功率转换效率（PCE）随弯折循环次数的演变，插图为工业级M6尺寸叠层器件弯折测试前后的荧光光谱成像。
同期发表的第二项研究中，苏州大学张晓宏、杨新波联合阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf等人的报道，也针对柔性结构钙钛矿-晶硅钙钛矿电池的功能层及界面进行了优化。首先，采用反应等离子体沉积制备铈-氢共掺氧化铟（ICO:H），取代常用的锡掺氧化铟（ITO）作为界面复合层，降低了该层的沉积损伤，提升了该层的载流子迁移率。此外也提升了后续自组装分子空穴传输层的覆盖度与界面电荷复合性能，并有效诱导后续钙钛矿的结晶生长。另外，在掺锌氧化铟（IZO）前端透明电极沉积过程中同步原位低温（75 °C）退火，实现兼具高导电性、高透光性与优异的机械韧性。最终研制出的柔性钙钛矿-晶硅叠层电池效率高达33.6%，开路电压达到2.015 V。该柔性叠层电池经过5000次弯折后（弯曲半径17.6 mm）保持93%的初始效率。除了高效率与强柔韧性，该电池在连续光照下工作2000小时能保持初始效率的80%，稳定性与刚性叠层电池相当。
图2. 采用ICO:H做界面复合层及原位退火透明电极的柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池，性能分析及各项参数对比。(a) 柔性叠层电池示意图。(b) 器件截面扫描电子显微镜（SEM）图、高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图及能谱（EDX）mapping。(c) 密度泛函理论（DFT）计算：4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基膦酸（Me-4PACz）分别吸附于ICO:H与常规ITO表面的吸附能及电荷转移情况。(d) 开尔文探针力显微镜（KPFM）图像：Me-4PACz锚定于ICO:H与ITO表面的电势分布对比。(e) 原位退火与未退火IZO薄膜的透光率及吸收对比。(f) 从X射线光电子能谱（XPS）分析中提取的 In-O、C-O 与 In-O比例分析。(g) 国家光伏质检中心（CPVT）认证的1.0 cm²孔径面积柔性钙钛矿/晶硅叠层电池J-V曲线。(h)封装柔性叠层电池在氮气气氛、连续一个太阳光照下的最大功率点（MPP）跟踪曲线。(i) 柔性叠层器件的弯曲测试。
综上，两项研究为大家提供了更多光伏器件功能层材料制备及优化的新思路，不仅把柔性钙钛矿-晶硅叠层电池的效率推上新高度，也提升了器件的机械韧性及工作稳定性。相信未来随着钙钛矿光伏材料及器件优化的持续进步，以及可靠性封装技术等的开发，这类轻质、高效且耐用的器件有望成为未来绿色能源体系的核心组成部分。
该文章以题为“Advancing highly efficient and mechanically resilient flexible perovskite-silicon tandem solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Advancing highly efficient and mechanically resilient flexible perovskite-silicon tandem solar cells
Zhaoyang Han, Qi Jiang
J. Semicond. 2025, 46(12), 120401 doi: 10.1088/1674-4926/25110013
