叠层太阳能电池是突破单结电池效率极限、实现光伏技术跨越式发展的关键路径。然而有着较高溴含量的宽带隙钙钛矿顶电池在环境空气中进行刮涂制备时，极易发生严重的卤素偏析，从而限制了器件的效率与稳定性。为了应对这一难题，浙江大学材料科学与工程学院、硅及先进半导体材料全国重点实验室薛晶晶教授等提出了一种“抑制中间相结晶”的新策略。通过引入2-吡咯烷酮作为新型配位溶剂，利用氢键与配位键的多位点相互作用破坏溶剂中间相的长程有序排列，实现了卤素在结晶过程中均匀且同步的析出，最终制备的柔性两端钙钛矿/CIGS叠层电池实现了27.3%的光电转换效率。2026年1月29日，相关成果“Crystallization suppression of mixed-halide intermediates for perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandem solar cells with improved efficiency”发表在Nature Energy期刊上。论文通讯作者是薛晶晶，共同第一作者为张劭晨、毕恩兵和雷博睿。

在众多叠层太阳能电池架构中，钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）叠层太阳能电池因其柔性、轻质、抗辐射及优异弱光响应的特点，在航空航天、移动电子设备及建筑一体化领域具有不可替代的潜力。然而其光电转换效率仍明显低于其他基于钙钛矿的叠层器件，尤其是研究最为广泛的钙钛矿/Si叠层器件。为了充分利用太阳光谱并实现与CIGS底电池的电流匹配，钙钛矿顶电池常需要引入更高的溴组分以拓宽带隙，这类高溴含量的混合卤化物体系在结晶过程中极易发生卤素偏析，导致钙钛矿薄膜相纯度下降并产生更多的缺陷。这一难题在大面积、可扩展的刮涂法制备中变得更为突出。在环境空气中，溶剂的快速挥发显著缩短了结晶调控的窗口期，且水分与氧气的干扰进一步使结晶动力学变得更加难以控制，导致薄膜质量的下降。

图1：空气刮涂钙钛矿薄膜中的卤素分布。

作者首先对比了传统配位溶剂NMP与新型配位溶剂PDI对钙钛矿薄膜中卤素分布的影响。光致发光成像的结果显示（图1），使用传统NMP溶剂的宽带隙薄膜，当溴含量提升至25%及以上时，会出现明显的卤素偏析，光谱中同时存在代表富溴相和富碘相的两种发射峰，且随着溴含量增加，卤素偏析的现象愈发剧烈。相比之下，使用PDI溶剂制备的钙钛矿薄膜在20%至30%的溴含量范围内，均表现出极其均匀的光致发光峰位分布，证明了PDI策略能够有效抑制微观尺度上的组分偏析。

图2：刮涂宽带隙钙钛矿薄膜中抑制卤化物偏析现象的机制研究。

针对上述现象，作者深入揭示了PDI配位溶剂影响钙钛矿薄膜成膜路径的内在机理（图2）。与传统溶剂NMP倾向于形成有序线性结晶中间体不同，PDI分子中独特的N-H键能与卤素离子形成氢键，这种额外作用力破坏了溶剂中间相的长程周期性排列，使其在气淬阶段显著抑制了结晶态溶剂中间相的生成。通过原位掠入射X射线衍射监测发现（图2e,f），由于PDI显著增加了中间相构型的自由度，钙钛矿的成膜过程从传统的“结晶态到结晶态”路径转变成了具有更低转变势垒的“非晶态到晶态”路径，这不仅确保了碘化物和溴化物在结晶过程中均匀且同步的析出，从微观尺度上抑制了卤素偏析，更提高了薄膜的结晶度和导电性并有效抑制了载流子的非辐射复合。

图3：宽带隙钙钛矿薄膜的特性及其单结器件的光电性能。

得益于薄膜质量的显著提升，采用PDI策略制备的单结及叠层器件在光伏性能和长期可靠性上均实现了显著的提升（图3 & 图4）。单结电池在1.67 eV至1.73 eV带隙范围内的光电性能均表现优异。更重要的是，在柔性两端钙钛矿/CIGS叠层电池中，成功实现了高达27.3%的光电转换效率（稳态效率 27.1%）。同时，柔性叠层器件也展现出优越的稳定性，在45°C下连续光照运行500小时后效率几乎没有损失，且在85°C开路条件下存放400多个小时后仍能维持初始效率的91%。这种显著的稳定性提升归功于PDI带来的均匀卤素分布、更高的结晶度以及更低的缺陷密度，有效抑制了光热诱导的降解过程。

图4：钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的光电性能。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-026-01975-1