在重塑全球能源格局、奔赴“碳中和”愿景的征途中，光伏技術(shù)的每一次突破，都通往零碳未來的關(guān)鍵階梯。疊層太陽能電池通過攻克單結(jié)電池的效率瓶頸，正引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨代式的技術(shù)突破。其中，鈣鈦礦/銅銦鎵硒（CIGS）疊層太陽能電池因兼具輕質(zhì)、柔性、抗輻射及優(yōu)異的弱光響應(yīng)等差異化優(yōu)勢，已然成為航空航天、移動電子及建筑一體化光伏（BIPV）等領(lǐng)域極具競爭力的新一代光伏技術(shù)。然而其光電轉(zhuǎn)換效率仍明顯低于其他基于鈣鈦礦的疊層器件，尤其是研究最為廣泛的鈣鈦礦/Si 疊層器件。為了充分利用太陽光譜并實現(xiàn)與 CIGS 底電池的電流匹配，鈣鈦礦層常常需要引入高比例的溴元素來擴寬帶隙，這類含有高溴組分的金屬鹵化物鈣鈦礦體系在結(jié)晶過程中極易誘發(fā)嚴(yán)重的鹵素偏析，形成富碘相與富溴相，導(dǎo)致嚴(yán)重的電荷復(fù)合損失與不穩(wěn)定的器件性能。這種組分不均勻性在采用可擴展化涂布法如刮涂法制備時尤為突出，特別是在環(huán)境空氣條件下，溶劑的快速揮發(fā)與環(huán)境水氧的干擾使結(jié)晶動力學(xué)更加難以控制，進一步導(dǎo)致生成了更低相純度相、更高缺陷密度且更差穩(wěn)定性的鈣鈦礦薄膜。因此，在環(huán)境空氣下，實現(xiàn)可擴展化的寬帶隙鈣鈦礦薄膜的高質(zhì)量均勻制備，是推動柔性疊層電池從實驗室走向規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用必須攻克的關(guān)鍵瓶頸。
鑒于此，浙江大學(xué)硅及先進半導(dǎo)體材料全國重點實驗室、材料科學(xué)與工程學(xué)院楊德仁院士團隊薛晶晶教授課題組開發(fā)出一種基于非晶化混合鹵素中間相的結(jié)晶調(diào)控策略，通過引入具有內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)的 2-吡咯烷酮（PDI）作為新型配位溶劑，替代了刮涂法中常用的配位溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP），在顯著提升寬帶隙鈣鈦礦薄膜組分均勻性的同時，顯著增強了器件的運行穩(wěn)定性。與NMP僅依靠單一配位作用易誘發(fā)中間相過早的有序排列不同，PDI 利用其配位鍵與氫鍵的多位點協(xié)同相互作用，增加了中間相構(gòu)型的自由度，打破了溶劑中間相的長程周期性。原位掠入射X衍射圖譜研究發(fā)現(xiàn)，PDI無法形成任何結(jié)晶態(tài)的溶劑中間相，這種非晶態(tài)促進了碘、溴鹵化物的均勻同步析出并降低了相轉(zhuǎn)變勢壘。基于該策略構(gòu)建的柔性全片兩端鈣鈦礦/CIGS 疊層電池實現(xiàn)了 27.3% 的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
該項研究成果于北京時間2026年1月29日晚7點，被國際頂級期刊《自然能源》在線刊登。通訊作者為浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅及先進半導(dǎo)體材料全國重點實驗室楊德仁院士團隊薛晶晶研究員。浙江大學(xué)為該論文的第一單位。
傳統(tǒng)配位溶劑 NMP 與新型配位溶劑 PDI 對鈣鈦礦薄膜中鹵素分布的影響存在顯著差異。光致發(fā)光圖譜結(jié)果顯示（圖 1），采用 NMP 制備的寬帶隙薄膜在溴含量提升至 25% 及以上時，會出現(xiàn)明顯的鹵素偏析，光譜中同時存在代表富溴相和富碘相的兩個特征發(fā)射峰，且偏析程度隨溴含量的增加而加劇。相比之下，利用 PDI 溶劑制備的薄膜在 20% 至 30% 的高溴含量范圍內(nèi)，均表現(xiàn)出極其均勻的熒光峰位分布。充分表明 PDI 策略能夠有效抑制微觀尺度上的組分偏析。
圖1. 空氣刮涂鈣鈦礦薄膜中的鹵素分布。
圖2. 刮涂寬帶隙鈣鈦礦薄膜中抑制鹵化物偏析現(xiàn)象的機制研究。
不同于傳統(tǒng)溶劑 NMP 易與碘化鉛形成有序的線性結(jié)晶中間相，PDI 分子中獨特的 N-H 鍵能與鹵素離子形成額外的氫鍵作用，并與羰基與鉛離子的配位鍵形成了多位點協(xié)同作用，這增加了中間相構(gòu)型的自由度，破壞了溶劑中間相的長程周期性排列。用PDI制備的鈣鈦礦濕膜在氣體淬火過程中并未顯示出任何明顯的衍射峰（圖 2b），表明其溶劑中間相幾乎保持了無定形的特性，并在后續(xù)的退火階段之前均保持了鹵化物的均勻分布。退火過程中的原位掠入射 X 射線衍射（GIXRD）同樣證實（圖 2e和f），PDI 的引入使鈣鈦礦的成膜過程從傳統(tǒng)的“結(jié)晶態(tài)到結(jié)晶態(tài)”路徑轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈拖嘧儎輭镜摹胺蔷B(tài)到晶態(tài)”路徑。這種動力學(xué)路徑的演變確保了碘化物與溴化物在熱退火過程中的同步析出，進一步遏制了鹵素偏析。該策略在提升薄膜結(jié)晶度與導(dǎo)電性能的同時，顯著降低了陷阱態(tài)密度并有效抑制了載流子的非輻射復(fù)合損失（圖3a-c）。
圖3. 寬帶隙鈣鈦礦薄膜的特性及其單結(jié)器件的光電性能。
圖4. 鈣鈦礦/CIGS疊層太陽能電池的光電性能。
在此基礎(chǔ)上，采用 PDI 策略制備的單結(jié)及疊層器件在光伏性能與長期可靠性上均實現(xiàn)了顯著的突破（圖 3d-g & 圖 4）。在 1.67 eV 至 1.73 eV 的寬帶隙范圍內(nèi)，單結(jié)電池均展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能。尤為關(guān)鍵的是，在柔性兩端（2-T）單片鈣鈦礦/CIGS 疊層太陽能電池中，該研究成功實現(xiàn)了高達 27.3% 的光電轉(zhuǎn)換效率（穩(wěn)態(tài)效率達 27.1%）。此外，通過將半透明鈣鈦礦頂電池與 CIGS 底電池機械堆疊，獲得了30.0%總光電轉(zhuǎn)換效率的四端（4-T）疊層器件（圖4c-e）。同時，柔性兩端疊層器件表現(xiàn)出卓越的運行穩(wěn)定性。在 45°C 環(huán)境下連續(xù)光照運行 500 小時后，器件效率幾乎沒有損失；并且在 85°C 高溫開路條件下存放 408 小時后，器件仍能維持初始效率的 91%。這種顯著的穩(wěn)定性提升歸因于 PDI 帶來的均勻鹵素分布、高結(jié)晶度以及極低的缺陷密度，從微觀層面有效抑制了光熱誘導(dǎo)下的降解過程（圖4f和g）。
