武汉大学，Nature Energy！

米测MeLab

2026-08-14

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

单片钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）叠层太阳能电池（TSCs）能突破单结电池效率极限，且具备抗辐射、柔性兼容等优势。

关键问题

目前，高效叠层电池的开发主要存在以下问题：

1、粗糙CIGS表面导致传输层覆盖不全与漏电损耗

CIGS表面具有微米级粗糙特征，传统的溅射或旋涂空穴传输层难以实现保形覆盖，易产生分流路径并增加漏电流，严重阻碍了后续钙钛矿吸光层的高质量生长。

2、界面缺陷与能级对齐不佳限制载流子提取效率

宽带隙钙钛矿在界面处存在高密度点缺陷，诱发严重非辐射复合。同时，钙钛矿与电子传输层间的能级失配增加了传输能垒，导致显著的电压和填充因子损失。

新思路

有鉴于此，武汉大学李建民、肖旭东、福建师范大学陈桂林及武汉工程大学王小敏等人展示了一种双界面载流子传输工程策略，该策略结合了纳米颗粒辅助的NiO_x中间复合层与钙钛矿/C₆₀界面处的双分子协同钝化，实现了在纹理化的CIGS表面上的保形覆盖，抑制了缺陷，优化了带隙对齐并增强了跨两个界面的载流子提取。冠军单片叠层电池在小面积器件（0.0539cm²）上实现了31.09%的能量转换效率（认证效率30.57%，稳态30.32%），在大面积器件（1.0298cm²）上实现了29.44%（认证效率28.85%）的效率。优化后的器件在储存超过3500小时后保留了约94%的初始效率，在连续运行超过750小时后保留了约91%，在70°C下加热960小时后保留了约90%，证明了同时增强的效率和稳定性。

技术方案：

1、开发了共形双层NiO_x空穴传输结构

SS-NiO_x通过纳米颗粒填充CIGS微观孔洞，降低基底粗糙度并诱导钙钛矿(100)择优取向生长，协同抑制了分流漏电与界面复合。

2、解析了界面电荷提取机制

通过提升NiO_x功函数并减小界面价带偏移，实现了极低的串联电阻和极速的载流子提取，大幅增强了器件的电荷收集效率。

3、提出了BMCP双分子协同钝化策略

BMCP协同修复阴阳离子缺陷，显著降低了陷阱态密度和表面粗糙度，并通过优化能级对齐大幅降低了电子提取能垒。

4、展示了钙钛矿/CIGS串联体的性能和稳定性

实现了超31%的破纪录效率及高稳定性，未封装器件在高温、连续光照等多重应力下表现稳健，验证了该策略的工业应用潜力。

技术优势：

1、开发了纳米颗粒辅助的双层NiO_x共形传输结构

创新性采用溅射NiOx与旋涂纳米颗粒（NPs）结合的SS-NiO_x结构，通过NPs填充CIGS表面微米级凹陷，实现了完美的保形覆盖并大幅降低反向漏电流。

2、引入双分子协同钝化策略显著降低了界面能损

提出EDADI与p-F-PEAI结合的钝化方案（BMCP），通过同时修复阴阳离子缺陷并优化能级排列，使叠层电池效率突破31%，并极大提升了器件的运行稳定性。

技术细节

共形双层NiO_x空穴传输结构

研究团队开发了一种名为SS-NiO_x的双层结构，通过先溅射连续层再旋涂NiO_x纳米颗粒（NPs）并进行空气退火制备而成。SEM和EDX表征证实，NPs能够有效嵌入并填充CIGS表面微米级颗粒间的凹陷区域，解决了传统溅射层覆盖不全导致尖端暴露的问题。这种填充效应使基底均方根粗糙度从84.1 nm降至76.0 nm，为后续钙钛矿生长提供了更平整的模板。XRD结果显示，该结构引导钙钛矿实现了强烈的(100)面择优取向（强度提升4.1-5.6倍），且显著抑制了界面PbI2的析出。此外，SS-NiO_x表现出更高的Ni³⁺/Ni²⁺比例和丰富的表面羟基，增强了薄膜电导率并促进了自组装单分子层（SAM）的牢固锚定，将反向漏电流从10⁻³级压降至10⁻⁷ mAcm⁻²。

图  共形NiO_x覆盖和致密钙钛矿生长

界面电荷提取机制

多尺度表征深入揭示了SS-NiO_x对电荷动力学的优化作用。KPFM测试表明，SS-NiO_x具有更低的平均表面电势（-290 mV）和更窄的分布，反映出更高的功函数及卓越的空间均匀性。UPS分析确证其将与Me-4PACz的价带偏移（ΔE_VBM）从0.24 eV缩减至0.18 eV，并使费米能级发生+0.25 eV的有利移动，从而显著降低了空穴传输能垒。电学测量显示，基于SS-NiO_x的器件在正向偏压下电流上升最快，表明串联电阻极小且传输迅速。TRPL数据进一步确证，该界面上的钙钛矿载流子寿命从305.2 ns大幅缩短至97.6 ns，结合稳态PL猝灭现象，证明了极其高效的界面电荷提取过程。瞬态吸收（TA）光谱中观察到的带隙再归一化能（BGR）降低，也印证了界面缺陷密度的显著下降。

图  不同NiO_x薄膜的能级和载流子输运

钙钛矿的协同钝化

针对顶部界面，研究者提出了BMCP双分子协同钝化策略，结合了EDADI和p-F-PEAI两种添加剂。DFT计算显示，钝化分子的I−离子可填充碘空位，而阳离子基团则能锚定阳离子空位并修复[PbI₆]⁴⁻框架，其结合能高达-3.16 eV。形貌表征显示，BMCP处理后的薄膜晶粒显著增大，粗糙度从27.6 nm降至15.2 nm。UPS和能带模拟表明，该策略使表面p型特征减弱，将钙钛矿与C₆₀的导带偏移从0.57 eV优化至0.34 eV，加速了电子提取。TA和TRPL动力学分析确证界面寿命从5.1 ns缩短至2.3 ns，同时TPV测试显示载流子复合寿命延长了2.3倍。这些改进使器件理想因子从1.47降至1.24，显著抑制了深能级陷阱介导的非辐射复合，大幅提升了开路电压和填充因子。

图  钙钛矿/C₆₀界面的钝化和载流子输运

钙钛矿/CIGS串联体的性能和稳定性

融合了SS-NiO_x和BMCP技术的SSD叠层电池展现出卓越性能。由于双界面工程有效最小化了复合损耗，叠层器件的理想因子从2.39降至1.82。实验室测得小面积冠军器件效率达31.09 %（Voc=1.765 V, FF=83.11 %），且获得了NIMTT 30.57 %的高效率认证。在1.0298 cm²大面积器件上，认证效率也达到了28.85 %，证明了工艺的优异可扩展性。稳定性方面，未封装器件表现出极强的鲁棒性：在氮气储存3576小时后效率保留率达94.38 %；在70 °C高温下运行960小时仍保留90.55 %的初始性能。更具代表性的是，在1个太阳连续光照及MPP跟踪下运行756小时后效率仍维持在91.49 %。此外，BMCP处理提升了表面疏水性（水接触角从67.6°增至74.2°），有效抑制了水分诱导的降解。

图  单块钙钛矿/CIGS串联器件的性能

图  串联装置的稳定性

展望

本研究通过创新的双界面载流子传输工程，成功解决了制约钙钛矿/CIGS叠层电池发展的结构覆盖和界面能损两大核心难题。通过构筑共形NiO_x复合层与实施双分子协同钝化，不仅在实验室刷新了31.09%的转换效率纪录，更在大面积一致性和多维度运行稳定性方面取得了重大突破。这一工作为高性能单片叠层太阳能电池的材料设计与界面调控提供了普适性的科学指导，对推动钙钛矿基光伏技术的产业化进程具有深远意义。

参考文献：

Zeng, L., Wang, W., Tang, L. et al. Improving interface-mediated carrier transport for efficient perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02125-3