中科院半导体所游经碧、蒋琦团队《Nat. Commun.》:宽带隙钙钛矿相分布均匀化策略实现高性能钙钛矿/硅叠层太阳能电池

来源:先进光伏发布时间:2025-12-15 14:18:05

论文概览

钙钛矿/ 硅叠层太阳能电池是突破单结电池效率极限的核心技术路径,其中宽带隙(WBG)钙钛矿顶电池的性能直接决定叠层器件的最终表现。为匹配硅底电池的电流输出,宽带隙钙钛矿需引入高溴含量和Rb 合金化,但这会导致结晶动力学过快、相分离严重,形成δ-RbPbI₃等非钙钛矿副相,大幅降低器件效率与稳定性。

针对这一核心瓶颈,中中科院半导体所游经碧&蒋琦团队提出三聚氰胺碘化物(MLAI)添加剂调控策略,通过热力学与动力学双重调控,实现RbCsFA 体系宽带隙钙钛矿的均匀相分布,并显著提升了载流子迁移率。经优化后的1.68 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池展现出优异的电荷传输性能与极低的非辐射复合损失,最终实现开路电压为1.31 V、填充因子为86.4%、PCE为25%的器件性能。基于该钙钛矿顶电池,团队进一步制备出两端钙钛矿-硅叠层器件,其稳态效率达33.5%,开路电压高达2.02 V。在稳定性方面,宽禁带单结电池在65℃、1太阳光照(ISOS-L-2)条件下运行3200小时后仍保持80%初始效率(T80),而叠层器件在相同条件下的T90寿命超过1100小时,展现出卓越的运行稳定性。

技术亮点

l 热力学相调控:通过引入三聚氰胺添加剂,显著降低目标钙钛矿相的形成能,从热力学上有效抑制了有害杂相(δ-RbPbI₃)的析晶。

l 分子级键合稳定:添加剂分子与钙钛矿组分形成稳定氢键,在分子尺度实现组分均匀分布,解决了铷元素团聚难题。

l 结晶动力学优化:适度调控结晶过程,为形成均匀、致密的高质量钙钛矿薄膜提供了关键调控窗口。

深度精读

图1::添加剂调控钙钛矿相均匀性的关键证据

图1通过多尺度表征揭示了MLAI添加剂对铷合金钙钛矿相分布的调控机制。SEM图像显示(图1a,d),未添加MLAI时薄膜表面出现δ-RbPbI₃杂相析晶,而添加后表面趋于均匀。GIXRD结果进一步证实(图1c,e),MLAI的引入使δ-RbPbI₃特征衍射峰(10.18°)完全消失。DFT计算表明(图1f,g),MLAI通过降低目标钙钛矿相的形成能(-3.76 eV)和成核势垒(0.12 eV),从热力学和动力学上协同抑制了杂相生成,最终实现均匀的合金钙钛矿相分布。

图2:薄膜光电性能与稳定性的显著提升

图2通过多种光电表征证明了MLAI添加剂对钙钛矿薄膜性能的全面提升。原位PL监测(图2a,b)显示MLAI延缓了结晶初期过程的荧光峰位移动,表明其有效调控了结晶动力学。TRPL测试(图2c,d)表明,MLAI修饰的薄膜载流子寿命从0.8 μs显著延长至2.47 μs,证实缺陷态密度大幅降低。微分寿命分析(图2e,f)进一步显示,MLAI样品在界面处具有更快的电荷提取速率和更低的陷阱辅助复合。光稳定性测试(图2g,h)表明,在2倍太阳光下照射80分钟后,对照组出现约35 nm的荧光红移(相分离),而MLAI组几乎无偏移,证明其优异的光稳定性。畸变,为器件稳定性提升提供机制解释。

图3:单结宽带隙器件性能突破

图3展示了MLAI添加剂对单结宽带隙钙钛矿太阳能电池性能的显著提升。J-V曲线(图3a)显示,优化后器件效率达25.03%,Voc为1.31 V,FF为86.4%,较对照组(22.84%)实现全面突破。稳态输出(图3b)确认其效率稳定在24.7%。参数统计(图3c)表明MLAI使器件具有更高的性能重现性。性能对比图(图3d,e)显示该结果在1.64-1.69 eV带宽电池中同时达到SQ极限Voc和FF的95%,效率突破85% SQ极限。稳定性测试(图3f)证明MLAI器件在65°C持续光照下T80超过3200小时,远超对照组,凸显其卓越的运行稳定性。

图4:高效稳定钙钛矿-硅叠层电池的实现

图4展示了基于MLAI优化宽禁带顶电池的叠层器件性能。1 cm² 半透明单结器件(图4b)效率达22.77%,证明MLAI技术具备放大潜力。叠层器件J-V曲线(图4c)实现33.91%的反扫效率,Voc高达2.02 V,FF达83.15%。稳态输出(图4d)确认效率稳定在33.5%。EQE谱(图4e)显示顶底电池电流匹配良好(20.1/19.9 mA/cm²)。认证结果(图4f)独立验证效率为33.22%,Voc达2.01 V。稳定性测试(图4g)显示封装叠层器件在65°C光照下T90超过1100小时,展现了从实验室向产业化应用的重要进展。

文献来源

Han, Z., Wang, Z., Xia, Z. et al. Uniform phase distribution of wide bandgap perovskite for high-performance perovskite-silicon tandem solar cells. Nat Commun (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66480-7

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
新区种子独角兽!用钙钛矿打开光伏新赛道来源:凤凰网 发布时间:2026-10-10 14:26:24

长春日耀光电科技有限公司是依托中国科学院长春应用化学研究所科研力量,于2023年9月在长春新区成立的东北首家专注钙钛矿太阳能电池研发与产业化的企业。公司以新型SAM分子材料、薄膜在线检测装备及钙钛矿电池组件为主营方向,已实现多项国际首创技术突破,包括无NiOx大面积制备工艺和SAM原位表征一体化装备,显著降低产线与制造成本。其钙钛矿/晶硅叠层电池效率达34.2%(NREL认证,全球前三),半透明电池效率率先突破12%。目前SAM材料市场渗透率超40%,大尺寸电池完成打样,省内首例钙钛矿自供能系统及100kW光储充电站即将落地。企业已签约多方战略伙伴,正加速建设中试线与电池产线,目标2030年建成投产,年产值不低于10亿元。

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(199字)

目标效率29%!美印企业合作4GW钙钛矿叠层项目来源:TaiyangNews 发布时间:2026-09-24 09:00:27

印度GREW Solar公司与美国Caelux公司签署为期5年的商业化合作协议,共同推进4GW钙钛矿-硅叠层光伏组件在印度本土的量产,目标于2028年启动。合作核心是将Caelux的钙钛矿发电玻璃技术与GREW Solar的n型TOPCon电池(含G12R大尺寸平台)集成,开发高效率混合叠层组件,目标转换效率超过29%。此举标志着GREW Solar正式进入钙钛矿叠层技术领域,拓展其原有硅基技术布局,并确保产品符合印度ALMM认证要求。目前GREW Solar在拉贾斯坦邦拥有6.5GW组件产能(规划扩至11GW),并正在中央邦建设8GW电池及8GW硅片工厂。对Caelux而言,本协议使其全球合作总容量达19GW,此前已与印度Rayzon Solar和Navitas Solar各签约5GW。(199字)

北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

全省唯一!极电光能牵头项目入选江苏省创新联合体拟建名单来源:极电光能 发布时间:2026-09-22 10:59:09

江苏省科技厅公示2026年度省级创新联合体拟建名单,全省共18家,其中由极电光能牵头的“江苏省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,系光伏领域唯一获批单位。该联合体以企业为“出题者”,联合高校院所及产业链上下游,聚焦柔性钙钛矿在材料、器件、工艺和装备等关键环节的协同攻关,旨在贯通“产学研用”链条。相较于传统光伏,柔性钙钛矿具备轻量化、可弯曲、形态适配性强等优势,应用场景正从电力生产拓展至建筑、交通、低空经济及便携能源等领域。依托无锡新能源产业与科创资源,联合体将加速技术转化与多元应用落地,助力江苏培育新能源增长点,支撑新质生产力发展。(198字)

华晟新能源亮相2026世界制造业大会 展示高效异质结前沿技术成果来源:华晟新能源 Huasun 发布时间:2026-09-22 09:44:57

华晟新能源亮相2026世界制造业大会,展出Himalaya PLUS高效异质结组件(760W/24.5%)、异质结-钙钛矿叠层电池、玻璃基TGV及P-HJT柔性电池等前沿成果,展现其在高效光伏与下一代技术产业化上的领先布局。

钙钛矿视觉传感器项目落地宁波产业园!来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-09-22 09:29:29

2026中国浙江·宁波人才科技周于9月20日在宁波开幕,甬港创科中心首批10个人才科创项目集中签约入驻。该中心由宁波市委人才办、宁兴集团与高新区共建,立足甬港两地优势,打造“宁波产业园”与“香港研发园”双平台,推动“香港研发、宁波智造”协同模式。其中5个项目落地宁波产业园,包括丁宇宬团队主导的高性能钙钛矿视觉传感器项目,拟建设研发中心与中试基地;另有超材料制冷化纤、三维风场测绘卫星星座、多传感食品智控及高灵敏生物磁检测装备项目同步入驻。另5个项目入驻香港研发园,涵盖舜宇、汉科等龙头企业及人形机器人、氮化镓芯片等前沿方向。香港特区政府将提供全周期创业支持,助力大湾区与长三角科技资源联动。(198字)

从高温高湿到干热沙尘,极电“创势”钙钛矿组件完成“双极境”实证大考来源:极电光能 发布时间:2026-09-21 09:55:43

本文报道了极电光能“创势”钙钛矿光伏组件在CTC国检集团海南(高温高湿、强辐照、高盐雾、多台风)和吐鲁番(干热、强风沙、极端高温达49.23℃)两大国家级户外实证基地完成的“双极境”实证测试结果。实证周期覆盖2025年12月至2026年8月,涵盖冬夏两季及多种复杂气象。数据显示,“创势”组件在两地均保持发电性能稳定,未出现明显衰减,平均系统效率(PR值)超90%;其弱光响应好、温度系数优异、防积灰与防热斑设计有效,展现出突出的湿热稳定性与干热沙尘环境适应性。该实证为钙钛矿光伏技术产业化提供了关键可靠性验证。

钙钛矿光伏领域首个国家标准发布来源:市场监管总局 发布时间:2026-09-21 08:52:42

我国首个钙钛矿光伏领域国家标准《GB/T 6495.12—2026》正式发布,将于2027年实施。该标准聚焦钙钛矿光伏电池及组件的电流-电压(I-V)特性测量,旨在解决其性能易受光照和电压影响、测试结果不稳定、面积定义不统一等关键问题。针对钙钛矿器件动态响应特性,标准系统规定了测试设备要求、测试前稳定化处理流程,并区分实验室研发与量产需求,提出快速测量法及最大功率点追踪、十点准稳态拟合(仲裁法)、渐进法等准稳态测试方法。同时,统一总面积与光阑面积定义,规范效率计算方式,确保不同机构测试结果具备可比性与可复现性。该标准填补了国内钙钛矿光伏标准化测试空白,为检测认证、产品研发、产线质控和国际贸易提供统一技术依据,支撑产业化发展与国际标准协同推进。(199字)

推进多场景试点应用!《江苏省推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》发布来源:江苏省发改委 发布时间:2026-09-20 09:09:30

江苏省于2026年9月14日印发《推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》,明确以多场景验证为路径,加快钙钛矿光伏技术工程化落地。方案提出到2030年,建成一批技术先进、效益显著的试点项目,形成全国领先的创新与应用试点体系。重点布局五大应用场景:“钙钛矿光伏+交通设施”,推动铁路、公路、港口及车载光伏应用;“+建筑”,推广光伏瓦、幕墙等BIPV产品;“+矿区”,结合生态修复实现能源开发与环境治理协同;“+海上风光同场”,开展高盐雾、高湿热环境实证;以及“+其他”,拓展至零碳园区、农(渔)光互补、可穿戴设备和航空航天等领域。配套强化项目试点、政策激励、市场消纳与标准认证四大支撑举措,全面助力钙钛矿光伏产业化与绿色低碳发展。(198字)

全球钙钛矿竞速,晶灵以唯一材料合作方进入澳洲国家级项目!来源:投稿 发布时间:2026-09-18 14:45:50

钙钛矿-晶硅叠层电池产业化加速,晶灵科技作为唯一中国材料方参与澳大利亚630万澳元国际攻关项目。其高纯度微晶材料已量产供货,多项技术创世界纪录,并布局太空光伏、BIPV等前沿场景,推动钙钛矿材料自主可控与全球验证。