复合中间复合层助力钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池实现30.71%超高效率

《Nature Communications》：Efficient perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells with a composite intermediate recombination layer

为解决单片钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2(CIGS)叠层太阳能电池中间复合层(IRL)效率与稳定性优化难题，研究人员开发了AZO/Au/NiOx/4PADCB复合结构IRL。该研究通过界面陷阱钝化、能带对齐优化和超薄Au层增强载流子复合，使冠军器件在0.15 cm2面积上实现30.71%光电转换效率(PCE)和80.9%填充因子(FF)，标志着钙钛矿/CIGS叠层技术正式迈入30%效率俱乐部。

　　

在追求更高效率光伏技术的道路上，叠层太阳能电池将不同带隙的材料组合起来，可以更充分地利用太阳光谱。其中，钙钛矿与铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se₂, CIGS)的组合被认为是一对“天作之合”。钙钛矿材料带隙可调，可作为顶电池有效吸收高能量光子；CIGS作为底电池，其带隙可低至1.00 eV，能有效捕获低能量红外光子。这种组合不仅理论上可实现最高效率，而且两者均为全薄膜结构，具有重量轻、柔韧性好、抗辐射能力强等优点，特别适合太空应用。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。尽管经过近8年的发展，单片钙钛矿/CIGS叠层电池的效率从2018年的22.4%仅提升至2025年的26.3%，远落后于钙钛矿/硅(34.9%)和全钙钛矿(30.1%)叠层电池。这一困境的核心症结在于连接两个子电池的“桥梁”——中间复合层(Intermediate Recombination Layer, IRL)。传统的IRL设计面临两大挑战：一是无法有效覆盖CIGS电池的粗糙表面，导致微尺度漏电路径；二是界面缺陷导致严重的载流子复合损失，限制了开路电压(V_OC)和填充因子(FF)的提升。

面对这一瓶颈问题，武汉大学肖旭东教授团队联合厦门大学、武汉理工大学合作者，在《Nature Communications》上报道了他们开发的创新型复合中间复合层，成功将钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的效率推至30.71%的新高度，使该技术正式跻身“30%效率俱乐部”。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下关键技术方法：采用多级共蒸发工艺制备带隙为1.01 eV的CIGS底电池；通过射频溅射在特定氧分压下沉积NiOx空穴传输层；利用自组装单分子膜技术制备4PADCB修饰层；通过热蒸发沉积超薄Au纳米粒子层；采用溶液法沉积约900 nm厚的宽禁带(1.67 eV)钙钛矿顶电池；使用原子层沉积技术制备SnO₂电子传输层；并通过外部量子效率(EQE)、瞬态表面光电压(tr-SPV)、荧光寿命成像显微镜(FLIM)等先进表征手段系统分析器件性能与界面物理过程。

构建理想的混合空穴传输层

研究团队首先系统比较了不同空穴传输层(HTL)对叠层电池性能的影响。当单独使用4PADCB时，器件FF极低(~35%)，PCE仅为~12%。单独使用溅射NiOx可将FF提升至~68%，但NiOx表面缺陷限制了V_OC(~1.57 V)。将两者结合形成溅射NiOx/4PADCB混合HTL后，不仅表面缺陷得到钝化，FF进一步提高至~71%，V_OC也显著提升至~1.71 V。相比之下，旋涂NiOx与4PADCB组合性能较差，凸显了溅射NiOx在消除子电池间漏电方面的优越性。通过优化NiOx厚度(~20 nm)和导电性(最佳O₂/(Ar+O₂)压力比为1%)，研究人员获得了均匀覆盖CIGS粗糙表面的高质量HTL。

界面质量与能级对齐

为揭示Sput/4PADCB混合HTL性能优越的内在机制，研究人员通过荧光寿命成像显微镜(FLIM)分析了钙钛矿薄膜在不同HTL上的载流子动力学行为。结果显示，Sput/4PADCB样品具有最长的载流子寿命(217 ns)和最佳均匀性，表明其有效抑制了钙钛矿/HTL界面的非辐射复合。开尔文探针力显微镜(KPFM)和紫外光电子能谱(UPS)分析表明，4PADCB的强分子偶极矩提高了混合HTL的功函数，逆转了界面电场方向，形成了较小的价带偏移(~190 meV)，有利于空穴的高效提取。瞬态表面光电压(tr-SPV)测量进一步证实，Sput/4PADCB结构具有最快的空穴提取速度(提取时间从53.3 ns减少至36.0 ns)。

超薄金层效应与冠军器件性能

在优化的AZO/NiOx/4PADCB IRL中，研究人员引入超薄Au纳米粒子层(平均厚度0.6 nm)以进一步增强器件性能。随着Au层厚度增加，FF从~71%显著改善至~76%，V_OC从~1.71 V提升至~1.73 V，平均PCE从25.6%提升至27.6%。能级分析表明，Au纳米粒子态为载流子复合提供了额外通道，同时Au/NiOx界面处的能带弯曲促进了空穴提取，使多数载流子复合率提高约12%，及时消除了结处未复合载流子的积累，从而提高了FF和V_OC。

采用优化的AZO/Au/NiOx/4PADCB复合IRL，结合带隙匹配的底电池(1.01 eV)和顶电池(1.67 eV)，研究团队制备的冠军叠层电池在0.15 cm²活性面积上实现了30.71%的PCE(V_OC为1.745 V，FF为80.9%，J_SC为21.76 mA/cm²)，经外部机构交叉验证的效率为30.1%。更大面积(0.51 cm²)器件也实现了28.04%的效率。这一成绩不仅显著超越了先前26.3%的认证纪录，也使钙钛矿/CIGS叠层电池与领先的钙钛矿/硅和全钙钛矿技术并驾齐驱。

钙钛矿薄膜与叠层器件的稳定性

光稳定性评估显示，在等效1太阳光强下，所有钙钛矿薄膜均表现出良好的光稳定性。在10和30太阳等效光强加速测试中，仅Spin/4PADCB和Sput/4PADCB样品保持基本不变的PL光谱，表明4PADCB能有效抑制光诱导相分离。热稳定性测试中，未封装的Sput/4PADCB器件在25°C氮气环境中存储6600小时后仍保持98.7%的初始效率，在65°C下经过678小时仍保留约86%的初始效率，显著优于其他HTL配置。最大功率点跟踪(MPPT)测量进一步证实了含NiOx器件的优异稳定性，这归因于NiOx表面丰富的羟基促进了SAM层的强分子锚定，而4PADCB相比2PACz能形成更致密均匀的分子堆积。

该研究通过创新设计的AZO/Au/NiOx/4PADCB复合中间复合层，成功解决了钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池中长期存在的界面复合损失和稳定性难题。这一设计不仅实现了30.71%的纪录效率，更通过高效的电荷传输和强分子锚定，使器件在高温和长时间光照下保持稳健性能。研究所揭示的复合IRL设计原则可推广至其他叠层架构，为开发高效、稳定、耐用的多结太阳能电池提供了可扩展的技术框架，标志着薄膜光伏技术向商业化应用迈出了关键一步。