浙大薛晶晶团队，Nature Energy！

米测MeLab

2026-02-10

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）叠层太阳能电池因其高效率、轻质、柔性和抗辐射等特性，在建筑一体化光伏和航天电源领域具有巨大潜力。然而，为了与CIGS底电池实现光谱匹配，顶电池需采用高溴含量的宽带隙钙钛矿，这在空气中进行大面积刮涂制备时极易导致卤素分布不均和相位偏析，严重限制了器件性能。

关键问题

目前，CIGS叠层太阳能电池的应用主要存在以下问题：

1、宽带隙钙钛矿的卤素偏析

在高溴含量下，混合卤素钙钛矿在结晶过程中倾向于形成富溴和富碘相，导致电荷复合增加并加速器件退化。

2、大面积制备动力学失控

在环境空气中使用刮涂法时，溶剂的快速挥发和水氧干扰使得核化与结晶过程难以控制，导致薄膜质量差、缺陷密度高。

新思路

有鉴于此，浙江大学薛晶晶等人使用2-吡咯烷酮作为配位溶剂来抑制卤化物中间体的结晶，从而在钙钛矿膜的环境刮刀涂布期间维持均匀的卤化物分布。作者展示了柔性单片双端钙钛矿/CIGS串联电池，其功率转换效率为27.3%，在500 h的操作中效率损失最小。

技术方案：

1、表征了钙钛矿薄膜中的卤素分布

研究对比了NMP与PDI溶剂对宽带隙钙钛矿薄膜质量的影响，PDI制备的薄膜展现陡峭吸收边缘、均匀单峰发射和显著提升的PL强度，有效抑制了卤素偏析和非辐射复合。

2、揭示了PDI抑制结晶的深层机制

PDI通过N-H基团与卤素形成氢键，破坏中间体长程有序性使其保持非晶态，热退火时通过低能垒非晶-晶转变促进卤素共沉淀，避免组分分离，保证了薄膜化学均匀性和高结晶度。

3、探究了单结电池的光伏性能与稳定性

PDI策略使1.70 eV宽带隙电池效率从12.2%跃升至22.4%，缺陷密度降低、载流子寿命延长，85°C光照500小时后保持92%初始效率，显著优于NMP器件的30小时半衰期。

4、演示了钙钛矿/CIGS叠层电池的性能

基于PDI策略的柔性单片双端叠层电池效率达27.3%（Voc 1.79 V），四端器件达30.0%，45°C工作500小时几乎无损失，证明该策略兼容可扩展工艺并提升叠层性能与稳定性。

技术优势：

1、提出了创新的配位溶剂策略

本文首次引入2-吡咯烷酮（PDI）作为配位溶剂，通过增强氢键相互作用抑制中间体结晶，确保了高溴含量下卤素的微观均匀分布。

2、刷新了柔性叠层效率纪录

研究实现了经稳态认证效率达27.1%（最高27.3%）的柔性单片钙钛矿/CIGS叠层电池，并在85°C高温稳定性测试中表现优异。

技术细节

钙钛矿薄膜中的卤素分布表征

研究团队对比了传统配位溶剂NMP与新型溶剂PDI对宽带隙钙钛矿（溴含量20%-30%）薄膜质量的影响。UV-vis吸收光谱显示，使用NMP制备的薄膜随溴含量增加，吸收边缘明显变宽且模糊，表明未能形成纯相的混合卤素钙钛矿。相比之下，PDI制备的薄膜在不同溴含量下均展现出陡峭的吸收边缘，带隙随溴含量增加从1.67 eV平稳提升至1.73 eV。光致发光（PL）映射进一步证实了这一点：NMP样品在高溴含量下出现明显的富溴和富碘双峰发射，显示出严重的微观卤素偏析；而PDI样品展现出高度均匀的单峰发射。此外，PDI样品的PL强度显著提升，表明薄膜中的缺陷态减少，非辐射复合得到了有效抑制，这为后续高效器件的制备奠定了材料基础。

图  刀片涂层钙钛矿薄膜中的卤化物分布

抑制卤素偏析的机理研究

通过原位掠入射X射线衍射（GIXRD）和核磁共振（NMR）分析，揭示了PDI抑制结晶的深层机制。实验发现，NMP会与铅盐形成有序的线性配位中间体，导致在退火前就发生初步结晶，进而引发卤素分布不均。而PDI分子中的N-H基团能与卤素形成氢键，这种额外的相互作用破坏了中间体的长程有序性，使其在气冷阶段保持非晶态。在后续热退火过程中，这种非晶态中间体通过较低的能量势垒直接转化为钙钛矿相（非晶到晶体转变），相比NMP的晶体到晶体转变动力学更快且更彻底。这种“核化工程”有效地促进了碘和溴的共沉淀，从根源上避免了中间相诱导的组分分离，从而保证了最终薄膜的化学均匀性和高结晶度。

图  叶片镀膜宽带隙钙钛矿薄膜抑制卤化物偏析的机理研究

单结电池的光伏性能与稳定性

基于PDI策略制备的单结宽带隙电池性能较NMP有质的飞跃。在25%溴含量（1.70 eV）下，PDI器件的PCE从12.2%提升至22.4%，开路电压（Voc）显著增加。电学测试分析（SCLC和TRPL）表明，PDI器件具有更低的缺陷密度和更长的载流子寿命，且电荷提取效率更高。在稳定性方面，PDI器件展现出卓越的耐热性：在85°C持续光照500小时后，仍能保持初始效率的92%，而NMP器件在30小时内就退化了超过一半。这种稳定性的提升归功于PDI带来的高结晶度、均匀分布的卤素以及无针孔的致密表面形貌，有效抵御了环境水分和热应力对钙钛矿晶格的破坏。

图  宽禁带钙钛矿薄膜的性质及其单结光伏器件的性能

钙钛矿/CIGS叠层电池的性能演示

研究团队进一步将优化后的宽带隙钙钛矿通过大面积刮涂法集成到柔性CIGS底电池上，构建了单片双端（2-T）叠层电池。得益于顶电池优异的光谱匹配和低复合损失，叠层器件实现了27.3%的最高效率（稳态效率27.1%），其Voc高达1.79 V。EQE测试结果显示钙钛矿和CIGS子电池的电流匹配良好。此外，团队还展示了四端（4-T）机械堆叠器件，总效率达到了30.0%。该柔性单片叠层器件在45°C连续工作500小时后几乎无效率损失，并在85°C开路稳定性测试中表现稳定。这一成果证明了PDI策略在兼容可扩展制造工艺（如刮涂）的同时，能有效提升复杂叠层架构的性能与长效稳定性。

图  钙钛矿/CIGS叠层太阳电池的光伏性能

展望

本研究成功开发了一种通过引入2-吡咯烷酮（PDI）解决卤素偏析难题。该方法通过增强分子间相互作用，确保了碘和溴的共沉淀，实现了微观尺度下卤素的均匀分布，并显著提升了薄膜的结晶度、相位纯度与热稳定性。基于此策略制备的柔性单片钙钛矿/CIGS叠层电池实现了27.3%的高转换效率，且展现出优异的长期运行稳定性。这一成果不仅为实现光谱匹配的宽带隙钙钛矿组分提供了灵活的设计思路，更为未来在环境空气中大规模、低成本生产高效柔性叠层太阳能电池奠定了坚实的科学基础。

参考文献：

Zhang, S., Bi, E., Lei, B. et al. Crystallization suppression of mixed-halide intermediates for perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells with improved efficiency. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-01975-1