苏州大学/隆基绿能合作，最新Nature！

双缓冲层加持，柔性太阳能电池实现33.4%新纪录！

柔性太阳能技术正成为未来清洁能源的重要方向。钙钛矿/硅叠层电池凭借超高光电转换效率（PCE）被认为是“下一代光伏”的明星，但在柔性化应用上仍受困于一个老问题——机械应力。反复弯折、冷热循环会造成界面脱层、器件性能衰减，让“高效”与“柔性”难以兼得。尤其是在采用超薄硅衬底时，这种应力问题被无限放大，成为制约柔性叠层电池走向实用化的关键瓶颈。

今日，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，Zheng Fang, Lei Ding, Ying Yang, Xiaobing Gu, Haiyue Li为共同第一作者。

柔性叠层的“痛点”与设计灵感

研究团队发现，在柔性钙钛矿/硅叠层中，最容易出问题的地方是C60与SnOx之间的界面——这是整个器件的“应力集中区”。传统的单层SnOx缓冲层虽然能防止离子轰击，却因缺乏化学键合而导致机械强度薄弱，一旦受到反复弯曲或温度变化，层间便会脱离（图1a）。为解决这一问题，团队提出了“双缓冲层”概念：先沉积一层致密SnOx保证电导通畅，再在其上覆盖一层疏松SnOx，用以释放应力和吸收应变能（图1d–e）。这种结构相当于给电池“加了一层缓冲垫”，既能稳固“电子高速路”，又能分散外界冲击。显微镜分析显示，疏松层呈多孔结构，能有效“吃掉”外层沉积时的离子轰击能量；而致密层保持平整均一，确保载流子顺利传输。拉伸测试表明（图1h–i），该双层界面粘附功高达0.34 N/mm，是单层结构的五倍，彻底解决了C60/SnOx界面的“脱层隐患”。

图1：双缓冲层柔性钙钛矿/硅叠层电池结构及SnOx层调控设计。

调控SnOx微结构：应力释放与电子优化

研究团队通过调整ALD工艺中的吹扫时间，实现SnOx薄膜从致密到疏松的可控生长。当吹扫时间较短（2秒）时，部分前驱体残留导致化学气相沉积（CVD）式生长，形成松散多孔结构；吹扫时间延长（10秒）后，薄膜趋于致密平整（图2a）。这类“可调结构”带来了不同的物理性能：致密层具备更高折射率和功函数，有利于载流子传输；疏松层则更能分散微应力，减少等离子体轰击损伤（图2d–f）。进一步的光致发光（PL）和时间分辨测试表明（图2g–i），疏松SnOx层可有效抑制非辐射复合，提升界面稳定性。简单来说，致密层“导电”，疏松层“抗震”，两者协同，使电池在高效与柔性之间达成了完美平衡。

图2：不同吹扫时间下SnOx薄膜的物理性质与界面电学特性。

效率与轻量化的双突破

在性能测试中，团队以不同厚度的硅片（60–240 μm）为基底，构建了一系列柔性叠层电池（图3a–b）。结果显示，当硅片厚度降至60 μm时，器件不仅轻至4.38 g，还能实现高达33.35%认证效率（图3f）。更令人振奋的是，他们将这一结构扩展到M6尺寸（261 cm²）的电池上，依旧获得29.8%（Fraunhofer ISE认证）的世界纪录性能（图3g），超过了传统单晶硅电池的物理极限。该柔性电池能在半径仅15 mm时折叠不裂（图3h–i），功率重量比高达1.77 W/g（图3j），在全球光伏技术对比中位居“轻量高效”区间的顶点。这意味着未来的太阳能装置或许能“像纸一样轻”，但仍能“像硅一样强”。

图3：不同厚度硅基柔性电池的光电性能及轻量化对比。

极限工况下的稳定表现

在长期耐久测试中，采用双缓冲层的柔性叠层电池表现出惊人的稳定性。在持续1500小时光照下仍保持87.7%输出功率（图4a）；在IEC标准的250次冷热循环中（-40°C~85°C），性能保持率达97.2%（图4b）；湿热环境（85°C、85%RH）下运行1000小时后，仍保有94%初始效率（图4c）。机械可靠性方面，设备经历4.3万次弯曲循环后仅衰减2.6%（图4d）。光致发光成像（图4e）显示，传统结构在弯曲后出现明显暗斑，而双缓冲层器件仍亮度均匀，界面完好无裂纹。这一成果证明，SnOx双层结构能在“高温、高湿、高应力”多重环境下维持稳定运行，为柔性光伏器件的工业化奠定坚实基础。

图4：长期光照、冷热循环及弯曲疲劳条件下的稳定性测试结果。

总结与展望

这项研究不仅刷新了柔性钙钛矿/硅叠层电池的效率纪录，更重要的是提出了一种兼顾机械韧性与电学性能的普适策略。通过精准调控ALD过程中的原子堆积模式，研究团队实现了“电—机双优化”的跨尺度设计，为下一代可卷曲、可穿戴、可集成光伏系统提供了全新思路。未来，这一“双缓冲层”概念有望推广至钙钛矿/钙钛矿叠层、CIGS等多种体系，推动超高效柔性太阳能从实验室走向现实应用。