硬核！苏州大学，一天2篇Nature！

柔性太阳能电池在航空航天、可穿戴电子、建筑一体化光伏等特定应用场景中展现出变革性潜力。然而，其发展长期面临一个根本性挑战：难以同时实现高功率转换效率、卓越的机械韧性与长期操作稳定性。钙钛矿基多结太阳能电池，特别是单片集成的钙钛矿/晶体硅串联结构，通过将宽禁带钙钛矿顶部电池与c-Si底部电池堆叠，成为一种兼具超高效率和成本效益的变革性策略。近年来，刚性钙钛矿/c-Si串联电池的认证效率已从2013年的13.7%迅速提升至2025年的34.9%，显著超越单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。然而，柔性串联电池的研究却相对滞后，此前最高效率仅为29.88%，远低于刚性对应物，亟需在效率、柔性和稳定性之间取得平衡。

鉴于此， 苏州大学张晓宏教授、杨新波教授与阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf副教授成功研制出一种认证效率达33.6%的柔性钙钛矿/c-Si串联太阳能电池，其开路电压创下2.015 V的纪录，性能媲美刚性版本。该电池在17.6 mm弯曲半径下经历5,000次弯曲循环后仍保持91%的初始效率，并展现出卓越的操作稳定性与湿热稳定性：在连续光照下T₈₀寿命超过2,000小时，在1,000小时湿热测试后保留90%的初始效率。这一突破得益于两项关键技术：采用反应等离子体沉积的铈氢共掺杂氧化铟复合层，提升了自组装单分子层的覆盖度与界面电荷转移效率；以及引入原位退火的锌掺杂氧化铟前透明电极，显著增强了器件的光电性能与机械韧性。相关研究成果以题为“Flexible perovskite/silicon tandem solar cells with 33.6% efficiency”发表在最新一期《nature》上。

值得一提的是，苏州大学张晓宏教授、刘江教授联合隆基绿能何博、曲铭浩、徐希翔和李振国提出“双缓冲层（dual-buffer-layer）策略”，为柔性钙钛矿/硅叠层太阳能电池构筑了全新的“应力释放机制”。他们通过调控原子层沉积（ALD）中SnOx缓冲层的致密与疏松结构，兼顾应力缓冲与电荷传输，成功在仅60微米厚的硅衬底上实现33.4%认证效率（1 cm²）和29.8%（M6大面积）的世界领先水平。器件在4.3万次弯折后仍保持97%以上效率，热循环（-40°C~85°C）后依然稳定如初，展示出超高的机械韧性与环境耐久性。相关成果以“Flexible perovskite/silicon tandem solar cell with a dual buffer layer”为题发表在《Nature》上，详细报道见今日第二条推送。

【性能表现与结构设计】

研究团队设计了如图1a所示的柔性钙钛矿/c-Si串联电池结构，采用超薄可弯曲的硅异质结底部电池（约65 μm），其两侧具有亚微米级纹理结构，上方涂覆厚钙钛矿吸收层。截面SEM图像显示钙钛矿晶粒垂直排列、致密地共形生长在纹理化SHJ电池上（附图1）。宽禁带钙钛矿顶部电池与RPD ICO:H复合层及原位退火IZO前电极集成。HAADF-STEM与EDX映射确认了钙钛矿的致密形态及各功能层（如ICO:H、C₆₀、SnO₂、IZO、Ag、MgFₓ）的分布（图1b）。共形ICO:H层（约10 nm）均匀覆盖在纹理化c-Si表面，终止于本征非晶硅/磷掺杂纳米晶硅氧化物堆叠（图1c）。

冠军柔性串联电池的认证效率为33.6%，Voc达2.015 V，FF为81.9%，Jsc为20.36 mA·cm⁻²（图1d）。最大功率点跟踪下的稳定功率输出确认PCE为33.2%（图1e）。相比之下，采用传统ITO复合层与非退火IZO电极的控制组效率仅为31.52%。三十个柔性串联电池的平均PCE达33.2%，其中ICO:H复合层和原位退火IZO电极分别贡献约1.5%和0.7%的绝对效率增益。2.015 V的Voc是当前1.67–1.68 eV钙钛矿禁带宽度下单片串联电池的最高值，归因于SAM在ICO:H上的致密锚定与超薄c-Si底部电池对体复合的抑制。尽管晶圆减薄导致SHJ底部电池Jsc略有损失，但凭借原位退火IZO电极的高透光性与有效后反射器，柔性串联电池仍保持20.36 mA·cm⁻²的Jsc。钙钛矿顶部电池与SHJ底部电池的电流输出分别为21.65 mA·cm⁻²和20.45 mA·cm⁻²（图1f）。FF的提升则源于ICO:H/SAM界面电场的增强与IZO电极薄层电阻的降低。图1g展示了柔性太阳能电池近年来的效率演进，本工作实现了相比最佳柔性c-Si电池（26.5%）的7.1%绝对效率提升。

图 1. 性能表现与结构设计

在机械性能方面，该柔性串联电池在厘米级区域可弯曲至10 mm半径，并表现出优异的循环耐久性。在Rb为17.6、15、12.5和10 mm下经过5,000次弯曲后，电池分别保留91.2%、89.8%、88.3%和84.8%的初始效率（图2b）。性能损失主要与FF下降相关，控制组在同等条件下仅保留78.6%–61.9%的效率。三点弯曲测试显示（图2c），钙钛矿顶部电池的引入使SHJ电池开裂位移从2.04 mm增至2.34 mm，表明其机械鲁棒性增强。封装后的柔性串联电池在连续光照下T₈₀寿命超过2,000小时，优于控制组的约800小时（图2d）；在湿热测试中，1,000小时后仍保持90%的初始效率（图2e），稳定性与优秀刚性器件相当。

图 2. 性能表征

【ICO:H复合层的关键作用】

复合层在串联电池中承担连接子电池、促进光生载流子复合的关键功能。传统溅射TCO材料因表面羟基密度低，导致SAM覆盖不均，限制界面电荷转移与器件稳定性。本研究采用RPD ICO:H作为复合层，系统优化后确定其最佳厚度为约10 nm。DFT计算表明，Me-4PACz在ICO:H上的吸附能为-3.22 eV，显著高于ITO的-2.54 eV，且电荷转移更强（图3a）。XPS分析显示，ICO:H的初始-OH比例为45.7%，高于ITO的30.0%，提供更多锚定位点（图3b–3e）。锚定后，ICO:H的-OH比例降至15.3%，而ITO为23.4%，P–O/In–O比也更高（0.56 vs 0.43），证实其在ICO:H上覆盖更致密（图3f）。

KPFM与UPS测试进一步显示，ICO:H在Me-4PACz修饰后表面电位分布更均匀，功函数达5.06 eV，高于ITO的4.98 eV（图3g–3i），有利于界面电荷提取。钙钛矿在ICO:H上生长时表现出更少的空隙与PbI₂残留，晶粒大且垂直取向。GIWAXS与XRD显示其（100）衍射峰更强（图3j–3l），PL光谱发射强度更高（图3m），表明结晶质量显著提升。基于ICO:H的单结宽禁带钙钛矿电池效率达22.85%，Voc为1.27 eV，验证了该界面工程对器件性能的积极影响。

图 3. ICO:H复合层的关键作用

【原位退火IZO前电极的优化】

前透明电极需兼具高导电性、高透光性与机械韧性。本研究在IZO沉积过程中引入原位退火工艺，显著提升其综合性能。随着衬底温度从25°C升至75°C，IZO的Rs从160 Ω/□降至100 Ω/□，载流子迁移率从40 cm²·V⁻¹·s⁻¹提升至50.7 cm²·V⁻¹·s⁻¹，载流子浓度从2×10²⁰ cm⁻³降至1×10²⁰ cm⁻³（图4a–b）。其透光率随之提高，吸收率降低（图4c），推动柔性串联电池平均PCE从31.7%升至33.4%（图4d）。XRD与TEM显示原位退火后IZO的（222）晶向增强，晶粒尺寸增大（图4e，附图15–16）。XPS分析表明氧空位比例从35.5%降至29.2%（图4f–h），减少了卤素扩散路径，提升了器件稳定性。

机械测试中，原位退火IZO在5,000次弯曲后Rs仅从99 Ω/□增至118 Ω/□，而未退火样品从162 Ω/□急剧上升至521 Ω/□（图4i）。AFM与SEM显示退火后样品无裂纹产生，表明其抗断裂性能显著增强。此外，结晶度提升与缺陷减少有效抑制了银电极腐蚀，进一步延长了器件寿命。

图 4. 原位退火IZO前电极的优化

【总结】

本工作通过在材料层面实现精密的界面与电极工程，成功将柔性钙钛矿/c-Si串联太阳能电池的效率推升至33.6%，同时兼具优异的机械耐久性与长期稳定性，显著缩小了柔性器件与刚性高性能系统之间的性能差距。该项技术突破为轻量化、高效率光伏系统在航空航天、可穿戴设备、移动能源、建筑光伏一体化及物联网等领域的广泛应用奠定了坚实基础，预示着柔性光伏技术迈向商业化应用的新纪元。