突破31%!钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池新纪录:双界面工程助力效率与稳定性双丰收

来源:钙钛矿材料和器件发布时间:2026-08-06 08:36:09

让粗糙表面“化敌为友”,让缺陷界面“畅通无阻”——我国科学家实现钙钛矿/CIGS叠层电池效率31.09%,认证30.57%,并创下长期稳定性新标杆。

在光伏领域,单结电池的Shockley-Queisser极限始终是一道“天花板”。叠层电池——将不同带隙的材料堆叠起来,更高效地利用太阳光谱——被公认为突破这一极限的终极路径。其中,钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)叠层组合尤其诱人:CIGS底电池带隙可调至~1.0 eV,具备优异的辐射硬度和稳定性,且兼容柔性基底;钙钛矿顶电池则拥有可调带隙和卓越的光电性能。

然而,理想丰满,现实骨感。粗糙的CIGS表面容易导致钙钛矿薄膜覆盖不均、产生漏电;上下两个界面的能级失配、缺陷复合、载流子提取效率低下,长期制约着器件效率和稳定性的同步提升。过去几年,该领域效率徘徊在22%~27%,始终未能突破30%大关。

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Performance of monolithic perovskite/CIGS tandem devices. a, Structure diagram of monolithic perovskite/CIGS TSCs with the DICTE strategy. Scale bar, 1 μm. b, Statistical distributions of photovoltaic parameters for the SU, SS and SSD TSCs. Each data point corresponds to an independent measurement, with sample sizes of n = 12, 15 and 16, respectively. The box boundaries, minimum, maximum, IQR, median and mean of the box plots are defined in the legend.

(注:此项研究所用CsI, PbBr2, FAI, PbI2, BCP, EDADI, p-f-PEAI均来自浴日光能)

如今,武汉大学、武汉工程大学、福建师范大学等单位的联合团队,在Nature Energy上报道了一项里程碑式成果:他们提出“双界面载流子传输工程”(DICTE)策略,同时优化了钙钛矿/CIGS的底部界面(空穴侧)和顶部界面(电子侧),成功制备出小面积(0.0539 cm²)冠军效率31.09%(认证30.57%)、大面积(1.0298 cm²)效率29.44%(认证28.85%)的叠层电池,并展现出卓越的长期稳定性——存储3576小时保持94%效率,最大功率点跟踪756小时保持91%,70°C热老化960小时保持90%以上。这一成绩,将2T钙钛矿/CIGS叠层电池的效率推上了全新台阶。

底部界面:纳米颗粒“填坑”,双层NiOₓ实现保形覆盖与高效空穴提取

CIGS底电池表面天然具有微米级的粗糙纹理,直接在其上沉积钙钛矿,如同在石子上铺薄膜——极易出现针孔、漏电和覆盖不全。传统方法采用化学机械抛光,但会增加工艺复杂度并损伤底电池。

该团队另辟蹊径,设计了一种双层NiOₓ空穴传输层(SS-NiOₓ):首先通过溅射沉积一层NiOₓ,再旋涂一层NiOₓ纳米颗粒(NPs),最后经空气退火结晶。对比实验表明,仅用溅射NiOₓ(SU-NiOₓ)时,尖锐的AZO凸起暴露在外,钙钛矿覆盖极差;仅用纳米颗粒(SI-NiOₓ)虽有所改善,但仍存在微米级孔洞;而双层结构完美填充了凹坑,实现了保形覆盖,表面粗糙度从84.1 nm降至76.0 nm,钙钛矿薄膜更致密、晶粒更均匀。

更关键的是,SS-NiOₓ带来了表面化学的质变。XPS显示,其表面羟基(-OH)含量从34.4%降至21.7%,而Ni³⁺-O比例提升至21.0%,并形成了NiOOH,这增强了导电性,并为后续自组装单分子层(SAM,即Me-4PACz)提供了丰富锚定位点。SAM覆盖更均匀、浸润性更好,使得钙钛矿前驱液接触角从32.8°降至23.1°,结晶质量显著提升——XRD中(100)/(110)峰强比提高4~5倍,(100)/PbI₂比从4.25跃升至27.53,说明非辐射复合中心——PbI₂残留大幅减少。

电学表征进一步证实:SS-NiOₓ的功函数提高,与SAM的价带偏移从0.24 eV缩小至0.18 eV,空穴传输势垒显著降低;霍尔测试显示载流子浓度上升、薄层电阻下降;空间电荷限制电流和阻抗谱均表明缺陷更少、复合电阻更高。荧光(PL)和瞬态荧光(TRPL)显示,钙钛矿/SS-NiOₓ界面的PL猝灭更剧烈,平均寿命从305.2 ns骤降至97.6 ns,并伴有蓝移——意味着空穴被高效提取,非辐射复合被强烈抑制。

顶部界面:双分子协同钝化,让C₆₀电子传输层“畅通无阻”

宽禁带钙钛矿(~1.65 eV)顶电池中,富Br组分天然带来大量体相和界面缺陷,尤其在钙钛矿/C₆₀界面处,能级失配和非辐射复合严重,制约开路电压(Vₒc)和填充因子(FF)。

团队开发了“双分子协同钝化”(BMCP)策略:将乙二胺二碘化物(EDADI)和对氟苯乙基碘化铵(p-F-PEAI)按比例混合于IPA:EA混合溶剂中,一步旋涂在已结晶的钙钛矿薄膜上。相比单独使用或顺序处理,BMCP处理展现出最佳性能提升。

DFT计算揭示了协同机制:I⁻可钝化碘空位(Vᵢ),而EDA²⁺和p-F-PEA⁺的NH₃⁺基团可与阳离子间隙区作用,同时填补Pb²⁺和FA⁺空位,修复[PbI₆]⁴⁻骨架。计算表明,BMCP在FAPbI₃(100)表面的吸附能高达-3.16 eV,形成超分子稳定化,同时钝化阴离子和阳离子缺陷。

实验上,BMCP处理后薄膜晶粒显著增大、针孔消失,粗糙度从27.6 nm降至15.2 nm;(100)/PbI₂峰强比从2.23提升至3.30,半高宽收窄;PL强度增强,暗态反向饱和电流降低。

能带调控是关键亮点:KPFM显示BMCP处理使表面电位从-512 mV升至-231 mV,功函数从5.01 eV降至4.79 eV,费米能级上移,削弱了表面p型特性。与C₆₀的导带偏移从0.57 eV大幅降至0.34 eV,电子提取势垒显著减小。导电AFM显示光电流从6.6 pA升至16.4 pA,复合电阻从7,900 Ω跃升至21,059 Ω,理想因子从1.47降至1.24,FF损失中电荷转移损失从7.1%降至5.3%。

超快光谱(TA)进一步佐证:BMCP处理后的带隙重整化能量从78.89 meV降至66.49 meV,表明缺陷和背景载流子浓度降低;光漂白信号平均寿命从5.1 ns缩短至2.3 ns,载流子提取更快。瞬态光电压(TPV)和瞬态光电流(TPC)分别显示载流子寿命从1.99 μs提升至4.55 μs,提取时间从0.55 μs降至0.27 μs——非辐射复合被显著抑制,电子提取得到加速。

叠层器件:31.09%效率,认证30.57%,稳定性创纪录

将SS-NiOₓ底部界面与BMCP顶部界面集成于一体,团队制备了完整的单块(2T)钙钛矿/CIGS叠层电池。优化后的器件(SSD)在实验室测得小面积冠军效率31.09%(Vₒc=1.765 V, FF=83.11%, Jₛc=21.19 mA/cm²),经国家测试与计量技术研究院(NIMTT)认证,效率为30.57%(Vₒc=1.751 V, Jₛc=21.24 mA/cm², FF=82.22%),稳态输出达30.32%。大面积(1.0298 cm²)器件认证效率达28.85%。

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EQE光谱显示顶电池和底电池电流匹配良好,积分电流与Jₛc一致。与近两年该领域报道的成果相比,30.57%的认证效率处于绝对领先地位,超越了此前27%~29%的水平。

更令人振奋的是稳定性:

储存稳定性:未封装器件在N₂手套箱中(25°C,环境光)储存3576小时(约149天),平均效率保持初始的94.38%,其中Vₒc和Jₛc维持99%以上,FF维持95%。

热稳定性:70°C加热960小时后,DICTE器件仍保持90.55%初始效率,而对照组仅剩72.62%。

运行稳定性:连续1个太阳光照下最大功率点跟踪756小时,DICTE器件维持91.49%初始效率,对照组仅剩28.86%。

这种稳定性提升归因于缺陷减少和疏水性增强——BMCP处理使水接触角从67.6°增至74.2°,抑制了湿气侵入和离子分解。

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总结与展望

这项工作展示了 “双界面工程” 在克服钙钛矿/CIGS叠层电池关键瓶颈上的巨大威力:底部用纳米颗粒辅助NiOₓ+SAM实现保形覆盖、能级匹配和高质量结晶;顶部用双分子协同钝化消除缺陷、优化能带、加速电子提取。两者协同,不仅将效率推至31%的新高度,更在无封装条件下实现了数千小时的稳定性,向实用化迈出了坚实一步。

该策略不仅适用于CIGS体系,也为其他粗糙基底上的叠层或柔性器件提供了通用思路。随着大面积制备工艺的进一步优化和封装技术的引入,钙钛矿/CIGS叠层电池有望在空间、柔性、建筑光伏等领域率先落地。

责任编辑:肖舟
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