柔性太陽能電池在航空航天、可穿戴電子、建筑一體化光伏等特定應用場景中展現(xiàn)出變革性潛力。然而，其發(fā)展長期面臨一個根本性挑戰(zhàn)：難以同時實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率、卓越的機械韌性與長期操作穩(wěn)定性。鈣鈦礦基多結(jié)太陽能電池，特別是單片集成的鈣鈦礦/晶體硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過將寬禁帶鈣鈦礦頂部電池與c-Si底部電池堆疊，成為一種兼具超高效率和成本效益的變革性策略。近年來，剛性鈣鈦礦/c-Si串聯(lián)電池的認證效率已從2013年的13.7%迅速提升至2025年的34.9%，顯著超越單結(jié)太陽能電池的Shockley-Queisser極限。然而，柔性串聯(lián)電池的研究卻相對滯后，此前最高效率僅為29.88%，遠低于剛性對應物，亟需在效率、柔性和穩(wěn)定性之間取得平衡。

鑒于此， 蘇州大學張曉宏教授、楊新波教授與阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf副教授成功研制出一種認證效率達33.6%的柔性鈣鈦礦/c-Si串聯(lián)太陽能電池，其開路電壓創(chuàng)下2.015 V的紀錄，性能媲美剛性版本。該電池在17.6 mm彎曲半徑下經(jīng)歷5,000次彎曲循環(huán)后仍保持91%的初始效率，并展現(xiàn)出卓越的操作穩(wěn)定性與濕熱穩(wěn)定性：在連續(xù)光照下T??壽命超過2,000小時，在1,000小時濕熱測試后保留90%的初始效率。這一突破得益于兩項關(guān)鍵技術(shù)：采用反應等離子體沉積的鈰氫共摻雜氧化銦復合層，提升了自組裝單分子層的覆蓋度與界面電荷轉(zhuǎn)移效率；以及引入原位退火的鋅摻雜氧化銦前透明電極，顯著增強了器件的光電性能與機械韌性。相關(guān)研究成果以題為“Flexible perovskite/silicon tandem solar cells with 33.6% efficiency”發(fā)表在最新一期《nature》上。

值得一提的是，蘇州大學張曉宏教授、劉江教授聯(lián)合隆基綠能何博、曲銘浩、徐希翔和李振國提出“雙緩沖層（dual-buffer-layer）策略”，為柔性鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池構(gòu)筑了全新的“應力釋放機制”。他們通過調(diào)控原子層沉積（ALD）中SnOx緩沖層的致密與疏松結(jié)構(gòu)，兼顧應力緩沖與電荷傳輸，成功在僅60微米厚的硅襯底上實現(xiàn)33.4%認證效率（1 cm2）和29.8%（M6大面積）的世界領(lǐng)先水平。器件在4.3萬次彎折后仍保持97%以上效率，熱循環(huán)（-40°C~85°C）后依然穩(wěn)定如初，展示出超高的機械韌性與環(huán)境耐久性。相關(guān)成果以“Flexible perovskite/silicon tandem solar cell with a dual buffer layer”為題發(fā)表在《Nature》上，詳細報道見今日第二條推送。

【性能表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設計】

研究團隊設計了如圖1a所示的柔性鈣鈦礦/c-Si串聯(lián)電池結(jié)構(gòu)，采用超薄可彎曲的硅異質(zhì)結(jié)底部電池（約65 μm），其兩側(cè)具有亞微米級紋理結(jié)構(gòu)，上方涂覆厚鈣鈦礦吸收層。截面SEM圖像顯示鈣鈦礦晶粒垂直排列、致密地共形生長在紋理化SHJ電池上（附圖1）。寬禁帶鈣鈦礦頂部電池與RPD ICO:H復合層及原位退火IZO前電極集成。HAADF-STEM與EDX映射確認了鈣鈦礦的致密形態(tài)及各功能層（如ICO:H、C??、SnO?、IZO、Ag、MgF?）的分布（圖1b）。共形ICO:H層（約10 nm）均勻覆蓋在紋理化c-Si表面，終止于本征非晶硅/磷摻雜納米晶硅氧化物堆疊（圖1c）。

冠軍柔性串聯(lián)電池的認證效率為33.6%，Voc達2.015 V，F(xiàn)F為81.9%，Jsc為20.36 mA·cm?2（圖1d）。最大功率點跟蹤下的穩(wěn)定功率輸出確認PCE為33.2%（圖1e）。相比之下，采用傳統(tǒng)ITO復合層與非退火IZO電極的控制組效率僅為31.52%。三十個柔性串聯(lián)電池的平均PCE達33.2%，其中ICO:H復合層和原位退火IZO電極分別貢獻約1.5%和0.7%的絕對效率增益。2.015 V的Voc是當前1.67–1.68 eV鈣鈦礦禁帶寬度下單片串聯(lián)電池的最高值，歸因于SAM在ICO:H上的致密錨定與超薄c-Si底部電池對體復合的抑制。盡管晶圓減薄導致SHJ底部電池Jsc略有損失，但憑借原位退火IZO電極的高透光性與有效后反射器，柔性串聯(lián)電池仍保持20.36 mA·cm?2的Jsc。鈣鈦礦頂部電池與SHJ底部電池的電流輸出分別為21.65 mA·cm?2和20.45 mA·cm?2（圖1f）。FF的提升則源于ICO:H/SAM界面電場的增強與IZO電極薄層電阻的降低。圖1g展示了柔性太陽能電池近年來的效率演進，本工作實現(xiàn)了相比最佳柔性c-Si電池（26.5%）的7.1%絕對效率提升。

圖 1. 性能表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設計

在機械性能方面，該柔性串聯(lián)電池在厘米級區(qū)域可彎曲至10 mm半徑，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)耐久性。在Rb為17.6、15、12.5和10 mm下經(jīng)過5,000次彎曲后，電池分別保留91.2%、89.8%、88.3%和84.8%的初始效率（圖2b）。性能損失主要與FF下降相關(guān)，控制組在同等條件下僅保留78.6%–61.9%的效率。三點彎曲測試顯示（圖2c），鈣鈦礦頂部電池的引入使SHJ電池開裂位移從2.04 mm增至2.34 mm，表明其機械魯棒性增強。封裝后的柔性串聯(lián)電池在連續(xù)光照下T??壽命超過2,000小時，優(yōu)于控制組的約800小時（圖2d）；在濕熱測試中，1,000小時后仍保持90%的初始效率（圖2e），穩(wěn)定性與優(yōu)秀剛性器件相當。

圖 2. 性能表征

【ICO:H復合層的關(guān)鍵作用】

復合層在串聯(lián)電池中承擔連接子電池、促進光生載流子復合的關(guān)鍵功能。傳統(tǒng)濺射TCO材料因表面羥基密度低，導致SAM覆蓋不均，限制界面電荷轉(zhuǎn)移與器件穩(wěn)定性。本研究采用RPD ICO:H作為復合層，系統(tǒng)優(yōu)化后確定其最佳厚度為約10 nm。DFT計算表明，Me-4PACz在ICO:H上的吸附能為-3.22 eV，顯著高于ITO的-2.54 eV，且電荷轉(zhuǎn)移更強（圖3a）。XPS分析顯示，ICO:H的初始-OH比例為45.7%，高于ITO的30.0%，提供更多錨定位點（圖3b–3e）。錨定后，ICO:H的-OH比例降至15.3%，而ITO為23.4%，P–O/In–O比也更高（0.56 vs 0.43），證實其在ICO:H上覆蓋更致密（圖3f）。

KPFM與UPS測試進一步顯示，ICO:H在Me-4PACz修飾后表面電位分布更均勻，功函數(shù)達5.06 eV，高于ITO的4.98 eV（圖3g–3i），有利于界面電荷提取。鈣鈦礦在ICO:H上生長時表現(xiàn)出更少的空隙與PbI?殘留，晶粒大且垂直取向。GIWAXS與XRD顯示其（100）衍射峰更強（圖3j–3l），PL光譜發(fā)射強度更高（圖3m），表明結(jié)晶質(zhì)量顯著提升?；贗CO:H的單結(jié)寬禁帶鈣鈦礦電池效率達22.85%，Voc為1.27 eV，驗證了該界面工程對器件性能的積極影響。

圖 3. ICO:H復合層的關(guān)鍵作用

【原位退火IZO前電極的優(yōu)化】

前透明電極需兼具高導電性、高透光性與機械韌性。本研究在IZO沉積過程中引入原位退火工藝，顯著提升其綜合性能。隨著襯底溫度從25°C升至75°C，IZO的Rs從160 Ω/□降至100 Ω/□，載流子遷移率從40 cm2·V?1·s?1提升至50.7 cm2·V?1·s?1，載流子濃度從2×102? cm?3降至1×102? cm?3（圖4a–b）。其透光率隨之提高，吸收率降低（圖4c），推動柔性串聯(lián)電池平均PCE從31.7%升至33.4%（圖4d）。XRD與TEM顯示原位退火后IZO的（222）晶向增強，晶粒尺寸增大（圖4e，附圖15–16）。XPS分析表明氧空位比例從35.5%降至29.2%（圖4f–h），減少了鹵素擴散路徑，提升了器件穩(wěn)定性。

機械測試中，原位退火IZO在5,000次彎曲后Rs僅從99 Ω/□增至118 Ω/□，而未退火樣品從162 Ω/□急劇上升至521 Ω/□（圖4i）。AFM與SEM顯示退火后樣品無裂紋產(chǎn)生，表明其抗斷裂性能顯著增強。此外，結(jié)晶度提升與缺陷減少有效抑制了銀電極腐蝕，進一步延長了器件壽命。

圖 4. 原位退火IZO前電極的優(yōu)化

【總結(jié)】

本工作通過在材料層面實現(xiàn)精密的界面與電極工程，成功將柔性鈣鈦礦/c-Si串聯(lián)太陽能電池的效率推升至33.6%，同時兼具優(yōu)異的機械耐久性與長期穩(wěn)定性，顯著縮小了柔性器件與剛性高性能系統(tǒng)之間的性能差距。該項技術(shù)突破為輕量化、高效率光伏系統(tǒng)在航空航天、可穿戴設備、移動能源、建筑光伏一體化及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的廣泛應用奠定了堅實基礎，預示著柔性光伏技術(shù)邁向商業(yè)化應用的新紀元。