苏州大学，背靠背发表Nature！

北京时间2025年11月11日，苏州大学张晓宏教授团队及其合作者在同一期Nature发表两篇研究论文，研究内容主要针对柔性钙钛矿/晶体硅串联太阳能电池，下面分别进行介绍。

第一作者：Shibo Wang, Wenhao Li, Cao Yu, Wei Shi, Qian Kang

通讯作者： Stefaan De Wolf, Xinbo Yang & Xiaohong Zhang（张晓宏）

通讯单位： 沙特阿卜杜拉国王科技大学，苏州大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09849-4

研究背景

钙钛矿基多结太阳能电池（如全钙钛矿型、钙钛矿/CIGS型、钙钛矿/有机型及钙钛矿/晶硅串联电池）已得到广泛研究。其中，单片式钙钛矿/晶硅串联电池通过在晶硅底电池上堆叠宽禁带钙钛矿顶电池，成为兼具超高光电转换效率与成本效益的革命性方案。刚性钙钛矿/晶硅串联电池的认证效率已从2013年的13.7%跃升至2025年的34.9%，突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟极限。然而柔性串联电池的研究至今仍鲜有报道：Wang等人首次报道的柔性钙钛矿/晶硅串联电池效率仅为22.8%，随后Shishido团队与Sun团队分别将效率提升至26.5%和29.88%，但这些数值仍远落后于刚性电池。柔性太阳能电池在特定应用领域具有变革性潜力，但在同时实现高光电转换效率、极致机械韧性和运行稳定性方面仍面临根本性挑战。

研究问题

本研究展示了一款经认证效率达33.6%的柔性钙钛矿/晶体硅串联太阳能电池，其开路电压创下2.015伏的纪录，性能可媲美刚性电池。该柔性叠层电池在17.6毫米弯曲半径下经历5,000次弯折后仍保持初始效率的91%，并展现出卓越的运行稳定性与湿热稳定性：在持续光照下T₈₀寿命超过2,000小时，经过1,000小时湿热测试后仍保持初始效率的90%。这一突破得益于反应等离子体沉积制备的铈氢共掺杂氧化铟复合层——该结构有效促进自组装单分子膜覆盖与界面电荷传输，以及原位退火处理的锌掺杂氧化铟前透明电极——其光电特性与机械性能均获得显著提升。

图文解析

图1| 柔性钙钛矿/晶硅串联电池性能表征

要点：

1.图1a展示了柔性钙钛矿/晶硅串联太阳能电池的结构设计。超薄可弯曲的硅异质结底电池（约50微米）采用双面亚微米级绒面结构，表面覆盖厚层钙钛矿吸收层。截面SEM图像显示垂直排列、致密的钙钛矿晶粒在亚微米绒面硅异质结底电池上实现共形生长。宽禁带钙钛矿顶电池（1.68电子伏特）结合了反应等离子体沉积制备的氢化铟镓氧化物复合层和原位退火氧化铟锌前电极。高角度环形暗场扫描透射电镜与能量色散X射线光谱证实了钙钛矿的致密形貌，并精准识别出钙钛矿层上下方的功能层（如氢化铟镓氧化物、C₆₀、二氧化锡、氧化铟锌、银和氟化镁等）（图1b）。共形氢化铟镓氧化物层（约10纳米）均匀包覆织构化晶硅表面，终端由本征非晶硅/磷掺杂纳米氧化硅叠层构成（图1c）。该复合层具备高迁移率（>130平方厘米/伏·秒）、低损伤特性和优异接触质量，已广泛应用于高效硅异质结太阳能电池。

2.冠军柔性串联电池获得认证能量转换效率33.6%，创纪录开路电压达2.015伏，填充因子高达81.9%，并保持20.36毫安/平方厘米的适中短路电流密度（图1d）。最大功率点跟踪下的稳态功率输出确认了33.2%的高效率（图1e）。相比之下，采用传统氧化铟锡复合层与未退火氧化铟锌电极的对照组件效率仅为31.52%。三十组柔性串联器件平均效率达33.2%，其中氢化铟镓氧化物复合层和原位退火氧化铟锌电极分别贡献约1.5%和0.7%的绝对效率增益。据本文所知，2.015伏的开路电压是目前1.67-1.68电子伏特最佳钙钛矿带隙范围内单片式钙钛矿/晶硅串联太阳能电池的最高记录。这一突破性电压源自致密自组装分子在氢化铟镓氧化物上的锚定增强界面电荷传输，以及超薄晶硅底电池对体复合和沉积损伤的有效抑制。相较于工业级120微米厚度，使用50微米薄片使开路电压提升12毫伏。

图2|柔性串联电池的弯曲性能与稳定性测试

要点：

1.本文证实该串联太阳能电池在厘米级尺度范围内具备10毫米弯曲半径下的可弯折性与循环耐久性。当分别在17.6、15、12.5及10毫米弯曲半径下经历5,000次弯折后，叠层电池仍能保持初始效率的91.2%、89.8%、88.3%与84.8%，展现出卓越的机械鲁棒性（图2b）。性能衰减主要与填充因子下降相关，这可能是由于界面或IZO前电极劣化导致的串联电阻增加所致。对照组器件在相同弯曲半径下仅保持初始效率的78.6%、77.3%、73.2%和61.9%，机械可靠性显著受损。当弯曲半径进一步缩小至10毫米以下时，器件在数百次循环内即出现机械失效，但该柔性叠层电池的最小弯曲半径可达约7毫米。在压缩应力条件下（弯曲半径17.6毫米），叠层电池经历5,000次循环后仍保持初始效率的93%。这种高鲁棒性源于自组装单分子膜在ICO:H表面的致密锚定强化了界面结合，以及原位退火IZO电极卓越的抗断裂性能。不过，该柔性叠层电池的弯曲耐受度仍低于最先进的微型单结钙钛矿太阳能电池。图2c三点弯曲测试表明，钙钛矿顶电池的存在使异质结底电池在断裂时刻的垂直位移从2.04毫米增加至2.34毫米，证实机械鲁棒性获得增强。这归因于机械中性面向叠层表面偏移，从而最小化了脆性晶体硅衬底承受的应变。弯折后表征显示独立异质结底电池性能衰减可忽略不计，说明柔性叠层电池的效率损失主要源于钙钛矿顶电池。

2.为评估长期运行稳定性，本文对封装后的柔性叠层电池在氮气环境中进行AM1.5G光照下的最大功率点跟踪。平面构型的柔性叠层电池展现出超过2,000小时的高T₈₀寿命，而对照组器件仅约800小时（图2d）。在弯曲应力下（半径17.6毫米），T₈₀寿命降至约1,600小时，这可能是应变引发的界面失效所致。采用厚异质结底电池的刚性叠层器件表现出约1,900小时的相近T₈₀寿命。在湿热测试（85℃/85%相对湿度）中，柔性叠层电池在1,000小时后仍保持90%的初始效率，优于对照组器件的74%（图2e）。该柔性叠层电池的运行稳定性与湿热稳定性均达到刚性对照器件的最佳水平。这种稳定性提升得益于ICO:H表面致密自组装单分子膜带来的强界面粘附、具有更佳结晶度的原位退火IZO电极，以及通过优化电流匹配减轻钙钛矿顶电池电荷积累的设计方案。

图3| Me-4PACz在ICO:H表面的吸附行为

要点：

1.通过系统优化，确定约10纳米厚的ICO:H层是柔性叠层电池的最优选择，过厚的层会因填充因子和开路电压降低导致效率下降。密度泛函理论计算表明，[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸在ICO:H表面的吸附能（-3.22 eV）显著高于ITO表面（-2.54 eV）（图3a）。同时观察到ICO:H与Me-4PACz之间发生更强的电荷转移，这种通过形成In-O键实现的电荷转移表明二者存在强烈相互作用，在ICO:H表面能形成更稳定牢固的化学键。

2.为比较Me-4PACz在两种材料表面的吸附能力，采用X射线光电子能谱分析锚定前后的表面化学计量（图3b-3e）。自组装单分子膜通常通过退火与表面羟基结合，而RPD法制备的ICO:H具有更高羟基比例（45.7% vs ITO的30.0%），可提供更多锚定位点并增强界面粘附力。ICO:H的高羟基含量源于沉积过程中氢掺杂所使用的水蒸气。通过分析P 2p和N 1s的XPS核心能级谱，证实Me-4PACz已成功锚定在两种材料表面。锚定后ICO:H的羟基比例降至15.3%（ITO降至23.4%），印证了其在ICO:H表面更强的结合能力。更高的P–O/In–O比例（0.56 vs 0.43）进一步表明ICO:H表面具有更高的Me-4PACz覆盖密度。原子力显微镜图像显示表面粗糙度变化可忽略不计，证明形成了均匀无残留的单分子层。

3.开尔文探针力显微镜分析表明（图3g-3h），Me-4PACz锚定前后ICO:H的平均电位差始终低于ITO，显示其具有更均匀的表面电位分布。ICO:H在锚定前后均呈现更低的表面电位，暗示其具有更高功函数。紫外光电子能谱证实这一推断：锚定Me-4PACz后ICO:H功函数达5.06 eV，高于ITO的4.98 eV（图3i）。更高的功函数有助于促进钙钛矿/Me-4PACz/ICO:H界面的电荷转移，从而提升复合效率与叠层电池性能。

图4| 原位退火IZO前电极分析

要点：

1.前透明电极是串联电池的核心组件，需具备高横向导电性、宽波段透光性以及对底层材料的最小沉积损伤。然而传统透明导电氧化物脆性高，在拉伸应力下易开裂，影响串联电池的柔性与可靠性。溅射法制备的掺锌氧化铟薄膜因其优异的光电特性，且无需高温退火（钙钛矿顶电池对温度敏感），目前广泛应用于钙钛矿/晶硅串联电池。本研究在IZO沉积过程中引入原位退火工艺，同步提升其导电性、透光率与机械强度，为柔性叠层电池奠定基础。

2.通过调节基底温度（25℃至100℃）评估原位退火对IZO性能的影响：如图4a所示，当IZO膜厚为40纳米时，最佳退火温度75℃可使方块电阻从160Ω/□降至100Ω/□，沉积后的缓慢冷却过程进一步提升了导电性。霍尔效应测试表明载流子迁移率从40 cm²·V⁻¹·s⁻¹提升至50.7 cm²·V⁻¹·s⁻¹，而载流子浓度从2×10²⁰ cm⁻³降至1×10²⁰ cm⁻³（图4b）。由此，原位退火IZO呈现出更高导电性与更低光吸收（图4c），推动柔性叠层电池性能提升：其平均转换效率从31.7%增至33.4%（图4d），主要归因于短路电流密度与填充因子的改善。

3.X射线衍射显示75℃原位退火使（222）晶面衍射峰显著增强（图4e），与透射电镜选区电子衍射及原子力显微镜观测结果一致——非晶基体中嵌入更大晶粒，晶界散射减弱。X射线光电子能谱分析表明氧空位浓度从35.5%降至29.2%（图4f-4h）。原位退火过程中晶粒生长填充了氧空位，这可能是由于间隙氧流动以及空气中氧原子渗入薄膜所致。载流子浓度降低提升了IZO的透光率并降低吸收率，从而显著提高柔性叠层电池的短路电流密度。

总结展望

本研究标志着柔性光伏技术的重大突破，证实了钙钛矿/晶硅串联结构能够同步实现高转换效率、机械耐久性与长期稳定性。通过材料层面的界面工程与电极设计创新，成功弥合了高性能刚性叠层电池与可部署柔性光伏系统之间的技术鸿沟，为航空航天、可穿戴设备、移动能源、建筑光伏一体化和物联网等领域的轻量化能源解决方案开辟了新路径。

第二篇：

第一作者：Zheng Fang, Lei Ding, Ying Yang, Xiaobing Gu, Haiyue Li

通讯作者： Zhenguo Li, Xixiang Xu, Minghao Qu, Bo He, Jiang Liu & Xiaohong Zhang（张晓宏）

通讯单位： 隆基绿能科技股份有限公司，西安交通大学，苏州大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09835-w

研究背景

柔性钙钛矿太阳能电池的快速发展为光伏技术与可弯曲、可折叠供电系统的集成开辟了新路径。尽管当前最先进的柔性钙钛矿太阳能电池认证效率已突破25%，但其效率潜力仍受限于肖克利-奎瑟理论极限。通过将宽禁带钙钛矿材料与主流硅电池结合，可实现更高转换效率，多个研究团队已获得认证效率超过32%的成果。然而值得注意的是，目前最先进的钙钛矿/硅叠层太阳能电池普遍采用较厚的硅片作为刚性基底，这限制了其柔性应用场景。研究表明，结合钝化边缘技术的超薄硅片已展现出卓越的柔韧性。因此，通过将这些技术集成至单片叠层架构中，柔性光伏领域仍存在巨大的技术革新空间。钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其超高光电转换效率成为下一代光伏技术的有力候选者。然而，在反复环境应力循环中产生的机械应力仍是柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池面临的关键挑战，会导致界面分层与器件性能衰退。

研究问题

本研究提出具有应力释放机制的双缓冲层策略，通过调控原子层沉积的吹扫时间构建疏松SnO_x缓冲层以耗散应变能，同时利用致密SnO_x层确保稳固电接触，在维持高效电荷提取的同时，协同缓解后续溅射沉积过程中的离子轰击效应并增强界面粘附性。基于该双缓冲层结构，以60微米厚超薄硅底电池构建的柔性叠层太阳能电池，在1平方厘米面积上获得认证33.4%的光电转换效率，在260平方厘米晶圆尺寸上实现认证29.8%的转换效率，功率重量比高达1.77瓦/克。优化后的叠层太阳能电池展现出优异耐久性：在最大曲率半径约40毫米条件下经过43000次弯曲循环后，在空气中仍保持初始转换效率97%以上；经过-40℃至85℃的250次热循环测试后，效率保持率约为97%。

研究背景

图1| 缓冲层器件结构与特性

要点：

1.本研究提出了一种兼具力学与电学功能的双缓冲层界面设计。该设计采用氧化锡双层结构：首层沉积致密氧化锡，随后沉积疏松氧化锡层。通过长吹扫时间实现的近原子层沉积生长模式，使致密氧化锡层能确保高效电荷提取并降低电阻损耗；而通过短吹扫时间实现的类化学气相沉积生长模式，使疏松氧化锡层可作为应力缓冲间隔层，在后续溅射沉积过程中重新分布应变。我们将该双缓冲层策略应用于厚度约60微米的轻质单片式钙钛矿/硅叠层太阳能电池（图1a-c），在约1 cm²面积上获得33.35%的认证稳态光电转换效率。更首次实现M6硅片尺寸的柔性叠层电池，认证效率达29.8%，标志着钙钛矿/硅叠层太阳能电池迈向规模化制造的重要里程碑。该研究不仅深化了对原子层沉积过程中氧化锡生长机制的基础认知，更为实现高效稳健的柔性光伏技术提供了新路径。

2.本研究致力于实现高耐久性的柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池，其顶电极采用C₆₀/SnO_x/IZO叠层结构，其中关键的SnO_x层通过软性原子层沉积工艺制备。由于后续透明导电氧化物沉积过程中产生的显著离子轰击效应，本文推测相对疏松的缓冲层相比致密层能起到更好的缓冲作用。为验证该假设，首先通过调节前驱体四(二甲氨基)锡与H₂O的吹扫时间来调控SnO_x薄膜特性。理想的原子层沉积过程通常具有自限制特性，但本研究发现受热分解和泵抽能力等因素限制，SnO_x层的沉积可能并不严格遵循理想模式。缩短吹扫时间可显著提升SnO_x薄膜生长速率，从而实现可控的薄膜孔隙率。当采用充足吹扫时间（10秒）时，过量TDMASn反应物可在后续H₂O脉冲注入前完全清除，形成典型原子层沉积过程（图1d）；而采用短吹扫时间时，部分锡前驱体会在基板表面与水发生反应，产生遵循化学气相沉积模式的非自限制生长组分（图1e）。

3.这种额外的化学气相沉积生长会诱导薄膜结构转变，使其从致密结构转变为疏松微观结构。随着TDMASn吹扫时间从10秒减少至2秒，SnO_x层的沉积速率从平均1.5埃/周期增加至2.3埃/周期。透射电子显微镜图像显示（图1f-g）：吹扫10秒的SnO_x薄膜表面平整，而吹扫2秒的样品表面呈起伏状并呈现多孔特征。

图2| SnO_x缓冲层物性分析

要点：

1.对分层区域的扫描电镜及相应能谱成分分析证实，分层主要发生在C₆₀/SnO_x界面，该现象与其他文献报道结果基本一致。表征结果显示，疏松SnO_x样品仅出现有限的分层扩展，而致密SnO_x样品则发生整个区域的界面完全失效。这些结果印证了通过调控SnO_x层孔隙率可减少离子轰击并增强薄膜粘附性。此外，由于各层不均匀膨胀/收缩产生的面外横向应力可能与钙钛矿内部残余应力相关。为验证疏松SnO_x层能有效降低透明导电氧化物沉积后钙钛矿层的残余应变，本文通过高分辨透射电镜图像进行几何相位分析（图2b,c），直观展示了钙钛矿薄膜中微应变的分布情况。显然，在完整器件中采用疏松SnO_x层可最大程度降低钙钛矿薄膜的微应变不均匀性。通过掠入射X射线衍射测试进一步证实了疏松SnO_x样品缓解离子轰击所致应变的能力。

2.采用X射线光电子能谱分析Sn、O元素的化学状态与成键环境（图2d）。在1秒和2秒 吹扫 时间样品中，观察到Sn 3d和O 1s核心能级峰的轻微位移，表明局部配位或氧化态发生细微变化。相比之下，当吹扫时间从4秒增至10秒时，峰位基本保持不变，说明在该宽工艺窗口条件下SnO_x化学状态相对稳定，仅其物理致密性发生改变。这是因为 吹扫 时间主要影响薄膜物理密度而非化学组成。紫外光电子能谱显示功函数随 吹扫 时间延长稳步增加，从疏松SnO_x的~4.1电子伏特（2秒）升至致密薄膜的~4.5电子伏特（10秒）（图2e）。该趋势与薄膜致密性提升及表面缺陷减少相关，而表面缺陷会降低功函数。这一现象可能影响SnO_x/C₆₀界面的能带弯曲，与SnO_x的额外场效应钝化作用相关联。

图3| 光伏性能表征

要点：

1.提升弯曲寿命对轻质太阳能板在各种应用场景中至关重要。为验证SnO_x双层结构在光伏器件中的作用，本文将其应用于由双面绒面硅底电池组成的叠层太阳能电池，硅片厚度范围为60-240微米。图3a展示了在约1 cm²有效面积上测量的不同厚度钙钛矿/硅叠层电池的光伏参数：随着硅片厚度增加，由于红外吸收增强，短路电流密度（J_sc）显著提升，而开路电压（V_oc）因单位体积内载流子浓度稀释而下降。

2.在叠层器件结构中，硅底电池作为限流组件，而钙钛矿顶电池性能基本稳定。因此叠层器件的V_oc和J_sc主要受硅子电池特性调控。减薄硅片会进一步加剧电流失配，反而提升叠层器件的填充因子。通过理论计算与实验验证，所有案例均显示J_sc随厚度增加持续上升，V_oc稳定下降，且未出现饱和趋势，这与叠层器件结果高度吻合。值得注意的是，在滤波光谱下工作的硅子电池，其最佳厚度会向更大值偏移——这是因为在叠层底电池典型的近红外光照下，需要更厚的吸收层来平衡光吸收与俄歇复合损耗。

3.图3b展示了三种不同硅片厚度的冠军器件电流密度-电压特性曲线，插图列出自测光伏参数。通过两分钟最大功率点跟踪测量（图3c），最终获得1.77V固定电压下33.3%的稳态效率。当硅片过薄时，大量光线会穿透未被吸收，导致J_sc降低。外量子效率与反射谱测试证实（图3d），光谱响应差异主要出现在近红外区域：随着硅片减薄，钙钛矿顶电池电流基本不变，而硅底电池电流逐渐下降，这种电流失配度的增加促使器件填充因子上升，部分数据甚至突破84%。

图4| 长期稳定性结果

要点：

1.为评估采用优化双缓冲层的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的稳定性，本文按照标准测试规程进行了加速老化测试。如图4a所示，采用优化氧化锡双层的目标器件在连续1500小时光照暴露下展现出卓越的运行稳定性，封装后仍保持初始光电转换效率（28.5%）的87.7%。根据IEC 61215标准进行250次热循环测试后，封装的目标器件表现出优异的稳定性，其初始平均效率（28.5%）保持率达97.2%。相比之下，对照组器件（初始效率28%）仅维持初始性能的81.8%。图4b直观展示了这些绝对与相对衰减趋势。同时，另取初始效率为28.2%的封装双层器件进行湿热测试，1000小时后仍保持初始效率的94.3%（图4c）。

2.这些结果表明，本文优化的双缓冲层结构能有效抑制机械、热力和湿度应力的负面传导，使钙钛矿/硅叠层器件成功通过IEC光伏组件标准中严苛的湿热与热循环测试。为全面评估柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池的耐弯折性能，本文进行了循环弯曲疲劳测试。叠层器件在42毫米曲率半径下于空气中进行重复弯曲，每个循环周期5秒。采用氧化锡双缓冲层的钙钛矿/硅叠层太阳能电池在经历43,000次弯曲循环后，效率衰减可忽略不计（仅2.6%）。

3.弯曲测试后对两组叠层器件进行光致发光成像表征（图4e）。反复弯曲会导致C₆₀/SnO₂界面产生微米级分层，这些分层会成为非辐射复合中心，降低光致发光强度。对照组器件在整个成像区域均出现显著的光致发光强度衰减，这与该器件开路电压的下降直接相关。相比之下，采用优化双缓冲层的目标器件在弯曲测试后未出现性能衰退，其光致发光强度在整个成像区域保持相对均匀分布。

总结展望

研究结果表明，优化设计的双缓冲层可显著增强柔性叠层太阳能器件的机械稳定性，使其能够抵御环境应力并延长使用寿命。这一设计理念可广泛应用于新兴的叠层太阳能技术，实现超高效率与柔性的协同发展，为开拓新型应用场景奠定基础。

来源：研之成理，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。