1天2篇《Nature》！蘇州大學(xué)張曉宏團(tuán)隊(duì)與產(chǎn)業(yè)界合作，在高效柔性疊層太陽能電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

柔性疊層太陽能電池因其優(yōu)異的功率-質(zhì)量比和可彎曲特性，在航空航天、可穿戴設(shè)備、建筑光伏一體化（BIPV）及可移動能源等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。然而，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化仍面臨兩個主要挑戰(zhàn)：一是在反復(fù)彎折和工況環(huán)境下界面穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分層失效；二是柔性器件的轉(zhuǎn)換效率與傳統(tǒng)剛性器件相比仍有明顯差距。

針對上述問題，蘇州大學(xué)張曉宏教授團(tuán)隊(duì)與產(chǎn)業(yè)界等合作單位通過采取兩種不同的創(chuàng)新策略，分別圍繞“穩(wěn)定性”和“轉(zhuǎn)換效率”取得了突破。兩項(xiàng)研究成果同日于《Nature》期刊在線發(fā)表，標(biāo)志著柔性疊層光伏技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步。

工作一：雙緩沖層實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性全硅片尺寸柔性疊層電池

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09835-w

柔性疊層器件在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)界面分層，這是限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。研究團(tuán)隊(duì)從界面應(yīng)力調(diào)控出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有“一緊一松”結(jié)構(gòu)的雙層氧化錫（SnOx）緩沖層。其中，下層為疏松的SnOx層，能夠有效吸收和釋放來自后續(xù)工藝中的離子轟擊以及器件彎曲過程中產(chǎn)生的應(yīng)力；上層為致密的SnOx層，主要負(fù)責(zé)電子的高效提取和穩(wěn)定傳輸，從而保障器件的光電性能。

這種“剛?cè)岵?jì)”的分層設(shè)計(jì)在應(yīng)力緩沖和電荷傳輸之間取得了良好平衡。基于該策略制備的超薄柔性鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池（厚度為60微米）在保持高效率（效率達(dá)33.4%（1 cm2））的同時，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械與環(huán)境穩(wěn)定性，該電池在43,000次彎曲測試和-40℃至85℃的熱循環(huán)測試后，仍能保持97%以上的初始效率。

工作二：新型復(fù)合層和透明電極性能調(diào)控實(shí)現(xiàn)柔性疊層電池效率突破

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09849-4

柔性疊層電池的效率長期以來低于30%，其中透明導(dǎo)電氧化物（TCO）復(fù)合層和電極在沉積過程中的濺射損傷以及其光電性能不足是限制效率提升的重要因素。研究團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了反應(yīng)離子沉積（RPD）鈰-氫共摻雜氧化銦（ICO:H）復(fù)合層，具有超高的載流子遷移率和較低的沉積損傷，與傳統(tǒng)摻錫氧化銦（ITO）復(fù)合層相比，ICO:H具有更優(yōu)的載流子復(fù)合性能、更強(qiáng)的SAM吸附能力、更多的錨定位點(diǎn)和更好的鈣鈦礦晶體生長誘導(dǎo)能力。進(jìn)一步在摻鋅氧化銦（IZO）前端透明電極沉積過程中首次引入原位低溫退火工藝，不僅顯著提升了IZO導(dǎo)電性、透光性和機(jī)械強(qiáng)度，而且提高了IZO的結(jié)晶度，有效抑制了鹵素離子的遷移，增強(qiáng)了柔性疊層器件的穩(wěn)定性。

通過上述TCO復(fù)合層和電極性能調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)制備的柔性鈣鈦礦/晶硅疊層電池實(shí)現(xiàn)了33.6%的認(rèn)證效率，開路電壓達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的2.015 V，刷新了當(dāng)前柔性疊層電池的效率紀(jì)錄，進(jìn)一步縮小了柔性疊層器件與剛性器件在效率方面的差距。

總結(jié)與展望

兩項(xiàng)研究分別從器件穩(wěn)定性和效率提升的角度推進(jìn)了柔性疊層電池的發(fā)展。前者通過雙緩沖層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了器件在應(yīng)力下的可靠性，后者借助復(fù)合層和電極性能調(diào)控實(shí)現(xiàn)了效率的顯著提高。這些成果為柔性光伏技術(shù)在航空航天、可穿戴設(shè)備、光伏建筑一體化等場景中的應(yīng)用提供了可行的技術(shù)路徑，推動了柔性疊層電池從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

張曉宏教授簡介

張曉宏，蘇州大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。國家杰出青年基金獲得者，教育部國家級重點(diǎn)人才，國家級人才計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。主要從事光電功能材料領(lǐng)域的研究，已在Nature、Nat. Energy、Nat. Photon.、Nat. Mater.、Nat. Electron.等期刊（SCI）發(fā)表研究論文570余篇，他引2.6萬余次；獲美國和中國發(fā)明專利 50 余項(xiàng)，部分創(chuàng)新成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。獲國家自然科學(xué)獎二等獎1項(xiàng)，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎1項(xiàng)，省部級科學(xué)技術(shù)一等獎4項(xiàng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。