论文概览

针对钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）叠层太阳能电池中宽禁带钙钛矿薄膜在高溴含量下卤化物分布不均、相分离严重的关键挑战，浙江大学薛晶晶团队联合多家科研单位创新性提出采用2-吡咯烷酮（PDI）作为配位溶剂，抑制混合卤化物中间体结晶的策略。该研究通过PDI分子与钙钛矿前驱体形成氢键作用，破坏溶剂配位中间体的有序组装，使卤化物在成膜过程中保持均匀分布，显著提升了薄膜的结晶质量与相纯度。在空气环境下采用刮涂法制备的宽禁带钙钛矿（1.70 eV）单结电池效率达到22.4%，并成功构建柔性单片两终端钙钛矿/CIGS叠层电池，实现27.3%的认证效率，且在500小时运行后效率衰减极低。该研究以“Crystallization suppression of mixed-halide intermediates for perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandem solar cells with improved efficiency”为题发表在Nature Energy上。

技术亮点

溶剂调控结晶路径：PDI通过氢键作用抑制卤化物中间体结晶，实现非晶态向钙钛矿相的直接转变，降低相分离。

卤化物分布均匀化：即使溴含量高达30 mol%，PDI制备的薄膜仍保持均匀的卤化物分布与高纯α相。

空气刮涂兼容性：在环境空气中实现高质量宽禁带钙钛矿薄膜的刮涂制备，推动大面积低成本制造。

叠层器件柔性化：构建柔性单片钙钛矿/CIGS叠层电池，效率达27.3%，具备轻质、可弯曲等应用优势。

研究意义

✅ 解决高溴钙钛矿相分离难题：PDI溶剂工程实现卤化物均匀分布，提升宽禁带钙钛矿质量。

✅ 推动空气刮涂工艺发展：在非惰性环境中实现高效薄膜制备，降低设备与工艺成本。

✅ 拓展柔性叠层电池应用：为建筑一体化光伏、便携设备、航天供电等场景提供高效柔性光伏方案。

✅ 提升器件稳定性：PDI制备的薄膜缺陷密度低，非辐射复合抑制显著，器件在高温光照下保持良好稳定性。

深度解析

图1通过光致发光图谱系统对比了NMP与PDI两种配位溶剂在环境刮涂条件下对宽禁带钙钛矿薄膜卤化物分布的影响，其中图1a-c显示使用NMP溶剂时，随着溴含量从20 mol%增加至30 mol%，PL图谱逐渐出现678纳米（富溴相）与765纳米（富碘相）的双峰特征，表明卤化物发生显著相分离现象，而图1d-f则证明PDI溶剂能够在相同溴含量条件下保持PL峰位的单峰分布与空间均匀性，右侧子图进一步通过九点网格节点的归一化PL光谱验证了PDI体系下卤化物分布的均一性，这种差异主要源于PDI对混合卤化物中间相结晶的抑制效应。

图2从机理层面深入揭示了PDI溶剂抑制卤化物偏析的物理化学本质，图2a的中间相PL光谱显示NMP体系存在638纳米与701纳米的双峰结构，而PDI体系呈现对称单峰，证明其在气相淬火阶段即能维持卤化物均质分布；图2b的原位GIXRD监测进一步表明NMP溶剂在淬火过程中形成8.55°衍射峰（对应NMP-PbI2线性配位结构），而PDI体系无结晶衍射峰出现，结合图2c-d的核磁共振与红外光谱分析，证实PDI通过N-H与卤素形成氢键，破坏了铅卤化物与溶剂之间的线性配位组装，从而阻止中间相结晶；图2e-g的退火过程原位监测与示意图完整阐释了PDI诱导的非晶态-晶态相变能垒低于NMP的晶态-晶态相变，最终实现卤化物共沉淀与均匀分布。

图3综合表征了宽禁带钙钛矿薄膜的物性及其单结器件光伏性能，图3a的XRD图谱表明PDI制备的薄膜具有更强的α相钙钛矿衍射峰（14.35°）且无PbI2（12.72°）与δ相（11.71°）杂峰，证明其结晶纯度显著提升；图3b的TRPL衰减曲线显示PDI薄膜载流子寿命延长，暗示非辐射复合被有效抑制；图3c的c-AFM图像直观呈现PDI薄膜表面电流信号达到236.9 pA（NMP仅为39.2 pA），证实其导电性增强；图3d-e的J-V曲线与稳态功率输出显示冠军单结器件效率从NMP的12.2%提升至PDI的22.4%，且具备84.3%的高填充因子；图3f-g的MPPT测试进一步验证PDI器件在55°C与85°C连续光照下仍能保持90%以上初始效率，凸显其优异运行稳定性。

图4展示了柔性单片钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的结构与性能突破，图4a-b的器件结构示意图与截面SEM清晰呈现了ITO/NiOx/SAX/钙钛矿/LiF/C60/BCP/Ag的堆叠架构与各层界面质量；图4c-d的J-V曲线与稳态输出证明冠军叠层器件效率达27.3%（稳态27.1%），具备1.79 V高开路电压与79.0%填充因子；图4e的半透明器件与滤波CIGS电池性能曲线为四端叠层设计提供基础；图4f-g的MPPT与老化测试表明叠层器件在45°C连续运行500小时后效率保持稳定，且在85°C开路条件下经历408小时仍维持91%初始效率，显著优于NMP基器件的快速衰减，彰显PDI策略对叠层器件可靠性的提升作用。

结论展望

本研究通过PDI溶剂工程抑制混合卤化物中间体结晶，实现了卤化物均匀分布的高质量宽禁带钙钛矿薄膜，成功构建效率达27.3%的柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池。该策略不仅解决了高溴钙钛矿相分离的核心难题，还推动了空气环境下刮涂制备工艺的发展，为钙钛矿/CIGS叠层电池的规模化、低成本制造奠定了坚实基础。未来，通过进一步优化溶剂体系、提升大面积薄膜均匀性、探索更多柔性衬底与叠层架构，钙钛矿/CIGS叠层电池有望在柔性光伏、建筑光伏一体化及空间能源等领域实现广泛应用。

文献来源

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).