综述：钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池

《ACS Omega》：Perovskite/Copper Indium Gallium Selenide Tandem Solar Cells

　　

钙钛矿/铜铟镓硒[Cu(In,Ga)Se₂, CIGS]叠层器件已成为一种极具前景的薄膜光伏解决方案，可同时实现高效率、轻量化、柔性和可规模化生产。本综述总结了宽禁带（wide-bandgap, WBG）钙钛矿设计、粗糙CIGS表面保形生长以及接触形成挑战方面的研究进展。研究人员分析了单片双端（monolithic 2T）与机械堆叠四端（mechanically stacked 4T）架构之间的权衡，并强调其工业可行性。与先前综述不同，本综述引入了"性能–稳定性–成本"三维度评估框架来评价技术路线，聚焦于纹理化CIGS保形沉积、铟供应风险以及柔性叠层机械可靠性等关键瓶颈。界面平面化、钝化和稳定性优化的最新进展已使效率突破27%，在柔性商业应用方面具有可观潜力。本综述还探讨了将这些创新集成至大规模制造中的途径，为克服当前局限并推动钙钛矿/CIGS叠层电池迈向工业化提供可行性见解。

2 材料协同效应

2.1 钙钛矿优势

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其优异的光电性质和可调控带隙，近年来在光伏技术领域取得显著进展。金属卤化物钙钛矿材料具有强吸光能力，即使薄膜形态亦可实现高效能量转换。相较于传统硅基太阳能电池，钙钛矿材料具有更高的光吸收系数，使得PSCs即便采用更薄的有源层也能捕获更多光子，从而提升功率转换效率（PCE）。钙钛矿最显著的特征之一是可调带隙特性，通过调节A位、B位或X位离子组成，可精确控制带隙宽度（1.2–2.3 eV），以满足不同光谱需求。这种可调性使钙钛矿能够优化高能光子吸收，有效提升太阳能电池效率。此外，PSCs的制造相对低成本，通常采用溶液法加工，不仅降低了生产成本，还提高了大规模生产的可扩展性。单结PSCs的效率已从最初的3%迅速提升至超过27%，这主要归因于钙钛矿材料在光吸收和电荷传输方面的出色表现，以及界面工程和结构优化的持续进步。

2.2 CIGS优势

CIGS太阳能电池作为成熟的薄膜太阳能电池技术，在光伏产业中占据重要地位。CIGS材料的主要优势在于其高稳定性、优异的光电性能和柔性基底适应性，与钙钛矿材料组成叠层电池时可进一步提升整体性能和耐久性。CIGS的带隙可在1.0–1.7 eV范围内调节，商用CIGS薄膜的典型值为1.1 eV（Ga/(Ga+In) ≈ 0.3）。通过调节Ga/(Ga+In)比例，增加Ga含量可增强晶格畸变和价带顶分裂，使带隙从约1.0 eV（纯CuInSe₂）提升至约1.7 eV（纯CuGaSe₂）。此外，部分Se被S取代可进一步精细调节带隙，以满足与钙钛矿顶电池匹配的需求。这种可调特性使CIGS在优化带隙范围内高效吸收低能光子（红光和近红外光），并与钙钛矿形成光谱互补利用。CIGS材料还具有较大的吸收深度，即使采用较薄的有源层也能实现高光吸收效率，从而减少有源层的原材料消耗。

然而，CIGS材料面临两个制约其大规模商业化的关键挑战：一是铟（In）作为稀有金属，地壳丰度仅约0.1 ppm，全球产量高度集中于中国、秘鲁和加拿大，导致市场价格波动和供应链不稳定。CIGS吸收层通常含10–15 at.%的铟，高铟含量显著增加了CIGS组件的原材料成本。二是传统CIGS薄膜沉积依赖高成本的真空共蒸发或溅射设备，需要高额投资和运行成本，且真空工艺中原材料利用率低进一步推高了制造成本。为应对这些挑战，研究人员提出了提高Ga/(Ga+In)比例以降低铟含量、开发无铟替代材料（如Cu₂ZnSn(S,Se)₄, CZTSSe），以及采用非真空溶液法沉积工艺（如喷墨印刷、刮涂）等可行方案。

2.3 叠层电池中的协同效应

PSCs与CIGS太阳能电池的结合形成了高效、稳定且适用范围广泛的叠层电池。该叠层结构充分利用了钙钛矿和CIGS材料的互补优势，提高了太阳能电池的PCE，同时解决了单结太阳能电池面临的稳定性和性能局限。带隙匹配是钙钛矿/CIGS叠层电池互补性的核心。钙钛矿材料具有宽带隙（约1.6 eV），能够高效吸收太阳光谱中的高能光子（如蓝光和绿光），而CIGS材料具有较窄的带隙（约1.1 eV），更适合吸收低能光子（如红光和近红外光）。这种带隙差异使钙钛矿/CIGS叠层电池能够覆盖更广泛的太阳光谱范围，最大化光子吸收和转换，从而显著提高太阳能电池效率。通过调节CIGS的Ga/(Ga+In)比例将其带隙在1.0–1.7 eV范围内调谐，并与通过卤素组成调控的钙钛矿带隙（1.2–2.3 eV）相匹配，叠层电池可同时实现最优光谱利用和电流匹配，这是钙钛矿/CIGS叠层效率突破的理论基础。

钙钛矿和CIGS之间的制造兼容性是两者协同的另一个重要方面。PSCs的溶液法加工不仅降低了制造成本，还有利于在柔性基底上制备薄膜太阳能电池。CIGS薄膜技术已得到广泛应用，其高效生产工艺已趋成熟，可实现太阳能电池的大规模低成本生产。钙钛矿与CIGS的结合，既能通过低成本的钙钛矿层提升整体效率，又能利用CIGS层的稳定性和可扩展性实现大规模生产，使钙钛矿/CIGS叠层电池在商业化过程中具有显著的经济优势。

3 叠层结构与器件构型

3.1 2T与4T构型比较

在钙钛矿/CIGS叠层电池中，2T和4T架构是主要设计，各自在效率和稳定性方面具有不同的权衡特性。2T构型通过隧穿复合结将钙钛矿顶电池和CIGS底电池串联连接，两个子电池共享相同的电流路径。这种紧凑的串联堆叠结构简单，与高吞吐量制造高度兼容，可降低工艺复杂性、减少成本，并有利于大规模生产前景。通过精心的隧穿结工程，2T钙钛矿/CIGS叠层能够以相对较低成本实现高PCE，层叠结构简单，本质上可扩展用于大面积、高吞吐量制造，适用于成本敏感型应用。然而，其主要约束在于钙钛矿顶电池与CIGS底电池之间的严格电流匹配，由于两个子电池串联工作，其不同的光电性质和光谱响应使得同时最大化两个结的光电流变得困难，这可能限制可达到的叠层效率。

在4T架构中，钙钛矿顶电池和CIGS底电池光学耦合但电学独立，各自连接到自身电极并在其最大功率点工作。这种结间解耦消除了2T叠层的严格电流匹配约束，大大放松了器件设计，允许在每个子cell中独立优化带隙、厚度和界面。因此，两个子电池都可在其各自最优值附近工作，这在真实户外条件下具有变化的光谱和辐照度时尤为有益，可实现更稳定的长期能量产出。此外，4T构型的灵活性允许在设计阶段对每个子电池的光谱响应和效率进行更精确的调整，便于更详细的优化。尽管存在这些优势，4T叠层存在更高的结构和工艺复杂性，额外电极和互连层的使用增加了材料和制造成本，更复杂的器件布局也使模块集成和大面积制造复杂化。

3.2 不同构型中的电流匹配问题

基于带隙互补机制，带隙调谐是不同叠层构型中电流匹配优化的核心策略。在钙钛矿/CIGS叠层中，钙钛矿顶电池与CIGS底电池之间的电流匹配是器件设计和效率的核心约束。与先前固定带隙的简单化处理不同，钙钛矿（通过卤素组成调控，1.2–2.3 eV）和CIGS（通过Ga/(Ga+In)比例及S掺杂调控，1.0–1.7 eV）的双重可调性为电流匹配优化提供了更灵活的解决方案。对于2T叠层构型，调整CIGS中的Ga含量适度增加其带隙（如从1.1 eV增至1.2 eV）可更好地与WBG钙钛矿（1.6–1.7 eV）匹配，减少光谱重叠损失，改善两个子电池之间光电流的一致性。在2T架构中，两个结通过隧穿复合层串联连接，因此较低光电流子电池限制串联输出。这一要求尤为严格，因为两种吸收体具有不同的带隙和互补光谱响应：钙钛矿主要收集蓝绿区域，而CIGS在红光和近红外区域更高效。相比之下，4T叠层在电学上解耦了结，使每个子电池可在其自身最大功率点工作，在很大程度上消除了电流匹配惩罚。

在4T钙钛矿/CIGS叠层中，两个子电池电学解耦，各自在最大功率点工作，因此电流失配不再约束整体效率。这种独立性允许在每个结中分别优化带隙、厚度和光谱响应，并可进一步通过光谱分光光学元件（如二向色镜）增强，将不同波长波段导向适当的子电池，从而在真实光照条件下最大化光电流提取。优化电流匹配直接影响叠层电池的PCE。在标准太阳辐照下，2T和4T叠层理论上均可实现超过46%的最大效率。然而，在2T构型中，电流匹配需求对顶电池带隙施加了更严格的限制，最优PCE通常出现在1.5–1.9 eV范围内。相比之下，4T构型允许每个子电池在其最大功率点工作，提供更宽的带隙组合范围和更大的灵活性。

4 效率与稳定性进展

4.1 效率提升

4.1.1 界面平面化实现保形钙钛矿沉积

PSCs的PCE已超过27%，使其成为太阳能领域的关键技术。CIGS太阳能电池也持续改进，单结CIGS太阳能电池的最高效率达到23.64%。商用CIGS薄膜的粗糙表面是钙钛矿顶电池沉积的关键瓶颈，因其导致薄膜针孔和漏电通路。研究人员提出了化学机械抛光（CMP）策略处理ITO中间层以应对这一问题，使用商用SiO₂浆料抛光ITO复合层使表面充分平滑。抛光的厚ITO层缓解了在粗糙CIGS上制备WBG钙钛矿薄膜的挑战，实现了钙钛矿和薄接触层的旋涂而无显著表面不规则性引起的损失。该策略核心机制是构建光滑的ITO缓冲层，消除CIGS表面形貌并为钙钛矿旋涂提供均匀基底，从而减少漏电损失、改善薄膜覆盖度。为进一步优化电荷提取，研究人员还采用重掺杂聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）作为空穴传输层（HTL），在保持开路电压（V_OC）的同时改善填充因子（FF）和短路电流密度（J_SC）。面积为0.042 cm²的2T钙钛矿/CIGS叠层电池效率达到22.43%，器件表现出1.774 V的高V_OC。虽然CMP策略有效解决平面化问题，但厚ITO层引入了两个不可忽视的局限：增强近红外（NIR）区域的自由载流子吸收，减少到达CIGS底电池的光子通量，导致较低的J_SC（17.3 mA/cm²）；CMP工艺增加制造流程额外步骤，显著提高生产成本并降低大面积模块制造的扩展性。

研究人员提出了更具扩展性的CMP替代方案：通过原子层沉积（ALD）在粗糙CIGS表面保形沉积10 nm NiO_x层。ALD工艺的核心机制在于实现NiO_x层的原子级均匀覆盖，不仅填充粗糙CIGS表面的谷区，还作为空穴选择性接触抑制漏电。为进一步优化界面，研究人员构建了NiO_x/PTAA双层HTL，减少NiO_x与钙钛矿之间的能级失配，从而提高空穴提取效率。该策略使0.78 cm²器件的PCE达到21.6%，与CMP方法相当但具有更好的扩展性。与CMP相比，ALD NiO_x策略消除了复杂抛光过程，兼容大面积沉积，但其PCE略低于基于CMP的器件，主要归因于NiO_x层较高的界面电阻。此外，ALD工艺的沉积速率低于溶液法，可能增加制造周期时间。总体而言，该策略平衡了效率和扩展性，显示出更大的工业应用潜力。

研究人员引入有机小分子材料，基于咔唑主体并带磷酸锚定基团，可在各种氧化物上形成自组装单层（SAMs）。除材料消耗和寄生吸收最小化外，自组装过程能够以简单的工艺控制实现对任意形态氧化物表面的保形覆盖。保形覆盖旨在减少钙钛矿/HTL界面的非辐射损失，实现了在原始沉积的粗糙CIGS表面上制备的、认证效率为23.26%（活性面积1 cm²）的单片钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池。亚微米尺度的地形不规则性是商用CIGS基底的固有特征，这在广泛采用的SAMs中引起空间不均匀性，由于润湿性差导致非保形钙钛矿沉积。研究人员开发了N,N-二甲基甲酰胺（DMF）辅助的亲水端基SAM重构界面策略，实现了SAMs和钙钛矿的保形覆盖。然而，保形钙钛矿层继承了基底纹理带来丰富缺陷，阻碍了C₆₀的均蒸发和保形覆盖。为解决此问题，研究人员将2,3,4,5,6-五氟苄基膦酸（F5BPA）与对三氟甲基苯乙胺（p-CF₃PEA）联用，自发富集于纹理化钙钛矿表面，构建均匀界面网络，重塑钙钛矿表面并通过增强相互作用桥接C₆₀。所得2T钙钛矿/CIGS叠层电池表现出26.14%的PCE（独立认证为25.21%）。

鉴于构建2T钙钛矿/CIGS叠层电池的挑战，将WBG PSCs和CIGS太阳能电池机械堆叠以构建4T构型叠层提供了有吸引力的替代方案。为构建高效4T钙钛矿/CIGS叠层电池，研究人员引入了光学填充层以控制和匹配与AM1.5G光谱的光学干涉图样，有效提高了平均近红外透过率。然后，应用有机卤化物盐甲撑二胺二碘化物（MDADI）进一步钝化缺陷，使V_OC提升70 mV，展示了PCE高达29.9%的高效钙钛矿/CuInSe₂ 4T叠层电池。研究人员证实，通过二价态甲撑二胺阳离子（MDA²⁺）掺杂WBG钙钛矿的A位阳离子，可增强与无机Pb–I骨架的相互作用以减少缺陷形成，基于机械堆叠的钙钛矿/CIGS叠层电池实现了30.13%的高PCE。所制备的柔性2T钙钛矿/CIGS叠层电池通过MDACl₂掺杂实现了23.41%的效率。

在4T构型中，每个子电池独立工作，实现更精确的电流匹配和优化，从而使整体效率大幅提升。4T叠层电池的效率现已超过30%。为进一步提高效率，研究人员采用了光谱分光技术，使用光谱分光器（如二向色镜）将不同波长光导向各自的子电池，减少电流失配并增强太阳能电池整体效率。实现与CIGS底电池的最佳光谱匹配需要WBG钙钛矿顶吸收体，通常通过具有高溴含量的混合卤素组成实现。然而，此类组成本质上易发生卤化物偏析和组成不均匀性问题，在可扩展沉积条件下进一步加剧。这些不稳定性不仅限制器件效率，还损害操作可靠性，是从实验室规模演示转化为可制造柔性叠层的主要障碍。最新进展表明，钙钛矿结晶化学的合理控制可有效解决这些局限。通过抑制薄膜形成过程中无控制的卤化物中间体结晶，即使在环境、可扩展涂布条件下也能实现均质WBG钙钛矿层。在这些进展的推动下，柔性单片双端钙钛矿/CIGS叠层电池的效率已超过27%，同时保持令人鼓舞的操作稳定性，标志着向商业可行的高性能柔性叠层光伏迈进的重要一步。

4.2 稳定性提升

虽然钙钛矿/CIGS叠层电池在效率提升方面表现优异，但其长期稳定性仍是大规模商业应用的主要挑战。CIGS具有固有稳定性，可在高温和高湿条件下长期保持稳定性能。然而，钙钛矿材料对环境因素高度敏感，如水分、氧气和温度，这些因素可导致叠层电池随时间推移而降解和性能损失。改善WBG钙钛矿的固有效率是应对叠层电池核心降解问题的根本解决方案。

限制WBG钙钛矿（带隙>1.6 eV）稳定性的核心瓶颈是光致卤化物相偏析，由光照或热应力下碘离子（I^?）和溴离子（Br^?）的迁移触发。该现象导致钙钛矿薄膜内形成碘富集低带隙区域和溴富集高带隙区域，引起严重非辐射复合、V_OC损失和效率衰减。对于高Br含量的WBG钙钛矿，相偏析可在光照后降低器件效率。为应对这一挑战，研究人员开发了三种核心策略：一是界面钝化，使用有机铵盐（如p-CF₃PEA⁺）钝化WBG钙钛矿表面缺陷，可减少缺陷辅助离子迁移路径，从而缓解相偏析；二是构建2D/3D异质结，在3D WBG钙钛矿表面涂覆2D钙钛矿层，可形成物理屏障阻止卤化物离子迁移，同时减少界面复合；三是阳离子掺杂工程，向钙钛矿晶格中掺入有机阳离子（如MDA²⁺）或大半径阳离子（如Rb⁺、Cs⁺），可增强卤化物离子与晶格的结合能，抑制离子迁移和相偏析。

研究人员提出的应变诱导Rb掺杂策略具有代表性。通过将Rb⁺引入钙钛矿晶格，有效抑制了Rb–Cs富集相的相偏析，实现了均匀的Br/Cl分布，并利用晶格应变工程抑制卤化物迁移和非辐射复合。该策略使WBG PSCs的V_OC达到1.30 V（辐射极限的93.5%），并展现出优异的操作稳定性：未封装器件在氮气气氛45°C、1个太阳光照下连续最大功率点（MPP）跟踪750小时后，保持初始PCE的80%。该策略标志着从被动掺杂到主动应变调控的转变，不仅提高了稳定性，还降低了光电压损失，实现了传统掺杂方法难以达到的效率与稳定性平衡。

4.2.2 界面调控与缺陷钝化

CIGS表面粗糙导致的界面复合和不良接触是限制叠层电池稳定性的关键因素。商用CIGS的不规则粗糙形貌固有地阻碍了叠层器件性能。此外，钙钛矿/C₆₀界面附近的少数载流子和未完全钝化的陷阱态导致界面复合。界面调控技术路线已从"单次钝化"演化为"晶体生长调控+界面场调控"协同。研究人员提出了d-己内酯盐酸盐（d-HLH）与LiF联用的双调控策略：一方面，d-HLH减缓了钙钛矿晶体生长速率并诱导垂直取向，使钙钛矿薄膜充分覆盖粗糙CIGS表面并降低缺陷密度；另一方面，LiF构建界面电场以排斥空穴载流子远离钙钛矿/C₆₀界面，抑制非辐射复合。该协同策略使2T叠层电池PCE达到24.6%（0.16 cm²）。未封装器件在氮气中储存960小时后保持初始效率的92.8%，在环境空气（30%–50%湿度）中同等时间保持84.4%。与早期单一SAM钝化策略相比，这种双调控方法同时解决了覆盖不良和界面复合问题，代表了粗糙CIGS基底界面稳定性优化的重要进展。

4.2.3 封装技术与环境隔离

通过封装进行环境隔离是叠层电池稳定性的最后防线，技术路线从"物理屏障封装"演化为"物理-化学协同封装"。传统封装材料（如玻璃、金属箔）只能物理阻隔水分和氧气，但在机械变形下易失效（尤其对柔性器件）。近期研究聚焦于开发具有自修复和化学吸附功能的封装材料。研究人员开发了由烷氧基聚乙烯基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺（EP）组成的封装剂，具有损伤感知和快速自修复特性。该材料不仅形成物理屏障阻隔水分和氧气，还能化学吸附铅离子以防止泄漏。中性水浸泡测试表明，采用该封装的受损器件保持稳定性能，而未封装器件在短时间完全降解。功能性封装材料的开发解决了柔性叠层电池的稳定性瓶颈，弥合了实验室稳定性与实际应用需求之间的差距。

4.2.4 技术演进与展望

钙钛矿/CIGS叠层电池的稳定性增强技术经历了三个发展阶段：第一阶段关注阳离子掺杂或简单界面钝化等个别方面，稳定性提升有限；第二阶段结合材料改性、界面调控和封装技术，操作稳定性和环境稳定性均显著提升；第三阶段开发低成本、大面积兼容策略（如卷对卷兼容钝化和封装工艺）。未来研究方向应聚焦两个核心方面：一是开发多策略协同优化方案，实现固有效率改性、界面钝化和封装集成；二是探索与大规模制造兼容的稳定性增强策略，避免增加生产成本的复杂工艺。此外，建立标准化稳定性测试协议（如柔性器件的统一测试条件）对公平比较和评估不同策略至关重要。

5 柔性与轻量化钙钛矿/CIGS叠层电池

柔性钙钛矿/CIGS叠层电池结合了两种高度互补的薄膜光伏技术优势，为轻量化、高效率和多功能能量收集系统提供了引人注目的途径。其最显著的优势是优异的带隙协同：WBG钙钛矿高效收集高能光子，而CIGS以高稳定性吸收近红外区域。这种互补吸收使柔性格式下的PCE高于任一单结电池，通常超过20%–24%，并超过大多数其他柔性光伏技术。其决定性优势是卓越的功率重量比，由溶液法加工钙钛矿和生长在轻量化聚合物基底上的薄膜CIGS实现。此类器件每平方米仅重数克即可保持高电输出，使其成为航空航天、便携式电子、无人机平台和可穿戴设备等重量关键应用的理想选择。其薄而可弯曲的架构支持集成到曲面或不规则表面，极大地扩展了下一代能源系统的设计自由度。

5.1 机械稳定性

柔性钙钛矿/CIGS叠层电池广泛用于需要反复机械变形的场景（如可穿戴设备、曲面建筑一体化光伏），因此统一的机械稳定性评价标准对性能比较至关重要。然而，现有研究采用不同的测试参数，导致难以直接比较稳定性水平。基于国际标准（如ISOS-L-2机械稳定性协议）和行业研究共识，本部分阐明了通用评价标准并分析了不同测试条件下的性能退化规律。柔性钙钛矿/CIGS叠层电池的机械稳定性评估应明确考虑弯曲程度和累积机械疲劳。实践中，完整可比的弯曲测试需要报告弯曲半径R、弯曲循环次数N、弯曲模式（如单面或双面）以及测试期间的环境条件。省略任何参数均难以跨研究基准结果或判断数据对实际应用的相关性。对于一般应用场景，可采用一套广泛接受且与实际相关的测试条件：弯曲半径R=10 mm通常作为基线，典型范围为5–20 mm，更小半径施加更严重的机械应变；弯曲循环次数通常选择1000至10000次，涵盖短期机械耐受性和长期耐久性；单面弯曲更受青睐，因其更能反映大多数柔性器件应用中的主要变形模式；测试环境最好控制在25±2°C和30±5%相对湿度，以最小化温度或湿度引起的退化干扰。

弯曲后，器件可靠性主要通过效率保持率（η/η₀）评估，同时对应V_OC、J_SC和FF的保持率。并行地，弯曲后形貌检查对于确认器件堆栈的结构完整性至关重要，确保功能层中无可见裂纹或分层。

5.2 柔性器件

机械耐久性是另一关键优势。当沉积在聚酰亚胺等柔性基底上时，钙钛矿和CIGS层均可承受大量弯曲、折叠和机械变形，同时保持稳定的电学性能。这种坚固性使其适用于卷对卷制造和动态环境中的长期使用。此外，钙钛矿的低温柔量法和CIGS的成熟真空沉积技术为可扩展且具有成本效益的生产提供了实际途径。两层薄膜特性最小化了材料消耗，降低了与晶体硅技术相比的制造成本。这些叠层与大面积印刷和柔性基底的兼容性进一步增强了其商业潜力。

研究人员针对在粗糙柔性基底上构建单片钙钛矿/CIGS叠层时出现的覆盖不良和漏电问题，采用全真空沉积的NiO_x和C₆₀/BCP电荷选择性层在导电钢箔上，实现了均匀界面和减少漏电损失，效率达到18.1%，是当时柔性单片钙钛矿/CIGS叠层的记录。研究人员解决了柔性CIGS叠层中AZO层与WBG钙钛矿之间的化学不相容性，这可能触发快速钙钛矿降解和互扩散。引入薄20 nm IZO惰性中间层保护了钙钛矿，使柔性单片叠层效率达到21.24%，并显著改善了热稳定性和操作稳定性。研究人员聚焦于柔性叠层中的制造瓶颈，特别是碱金属扩散和机械/热应力降解CIGS质量并限制保形钙钛矿涂层的问题。采用聚酰亚胺中间层的剥离策略调控Na/K行为，减少深缺陷并缓解应力，生产出高质量柔性CIGS并允许光滑的溶液法加工钙钛矿顶电池。结果为认证效率22.8%和比功率6.15 W g^?1，展示了高性能柔性叠层更具扩展性的路线。

柔性基底上平面咔唑基空穴选择性接触中分子聚集引起的界面不均匀性，是实现柔性钙钛矿/CIGS叠层高效率和机械耐久性挑战的贡献因素。研究人员开发了空间位阻策略，将平面咔唑核心转化为三维π共轭骨架。这种分子重构抑制了分子间π–π堆积，产生了均匀化的选择性接触和高质量的钙钛矿薄膜。当集成到柔性单片钙钛矿/CIGS叠层器件中时，该策略使冠军稳定PCE达到26.2%（0.091 cm²器件认证25.5%）和25.3%（1.01 cm²器件认证24.3%），均为柔性2T叠层迄今报告的高认证效率。这些器件展现出显著的机械鲁棒性，在10 mm半径下10000次弯曲循环后保持初始PCE。

总体而言，柔性钙钛矿/CIGS叠层电池提供了高效率、超轻量化结构、机械柔性和可扩展制造的强大组合，使其成为下一代移动、可穿戴和航天级光伏最有前景的候选者之一。

6 经济可行性与商业化前景

钙钛矿/CIGS叠层电池因其优异的光电性能和稳定性而展现出巨大潜力。然而，除效率和稳定性外，经济可行性和商业化是推动该技术广泛应用的关键因素。随着材料成本持续下降和制造工艺改善，钙钛矿/CIGS叠层电池的经济可行性逐渐提高，商业化前景日趋乐观。

6.1 降低材料与生产成本

钙钛矿可采用相对简单的设备从溶液中低温加工，实现比传统硅技术更低成本的大面积制备，而其带隙可调性使其非常适合作为与CIGS及其他薄膜吸收体叠层的顶电池。CIGS虽然单位瓦特成本高于钙钛矿，但受益于成熟的薄膜沉积基础设施、良好的材料可用性和与钙钛矿在叠层中互补的可调带隙。需要强调的是，由于真空沉积工艺成本高和稀有金属原材料（铟、镓）成本高，CIGS的大规模生产成本高于晶体硅太阳能电池。这一成本差距使钙钛矿/硅叠层在刚性、大面积地面光伏发电领域更具竞争力，而钙钛矿/CIGS叠层则依靠其柔性和轻量化特性在特定应用场景中占据一席之地。

CIGS组件的高制造成本主要归因于两个因素：铟原材料的高价格和真空沉积设备的高额投资。广泛用于高效CIGS组件的真空共蒸发工艺材料利用率仅约30%，导致昂贵铟的大量浪费。相比之下，非真空溶液法工艺（如纳米颗粒油墨涂布）可将材料利用率提高到90%以上，降低原材料成本约50%。然而，非真空工艺制备的CIGS组件效率仍低于真空沉积组件，这是需要解决的关键瓶颈。

针对铟稀缺问题，通过提高Ga比例降低CIGS吸收体中的铟含量是可行策略。当Ga/(Ga+In)比例从0.3提高到0.5时，铟含量可降低约40%，同时保持适合叠层应用的带隙（~1.2 eV）。此外，开发无铟CZTSSe材料是长期解决方案，但CZTSSe太阳能电池效率仍低于13%，需要在材料质量和界面工程方面进一步改进。

在钙钛矿/CIGS叠层中，效率提升和减薄的钙钛矿厚度转化为更低的整体材料用量和有利的技术经济平衡。单结PSCs的制造成本最低，为27.18美元/m²，其次为单结CIGS的38.25美元/m²，2T叠层构型制造成本为45.17美元/m²。钙钛矿/CIGS叠层组件的制造成本低于钙钛矿和CIGS组件成本之和，表明从现有单结电池升级至钙钛矿/CIGS叠层不会产生高额额外成本。

钙钛矿/CIGS叠层电池的另一经济优势是系统成本优化。在太阳能光伏系统中，除太阳能电池本身外，平衡系统（BOS）组件（如支架、逆变器、布线和其他配件）占成本的显著部分。与单结器件相比，叠层通过提高效率并缩小所需模块面积来降低BOS成本和能量损失，4T架构尤为有效，因为每个子电池在波动辐照下可接近其各自最优值工作。从技术经济角度，平准化度电成本（LCOE）作为总寿命成本与总寿命能量产出的比值，其中总寿命成本包括初始投资（模块制造、BOS组件、安装）、运维（O&M）成本和模块更换成本，总寿命能量产出由模块效率、衰减率和年辐照度决定，LCOE对模块效率和服务寿命的敏感度远高于吸收体材料成本，使效率和耐用性成为成本降低的主要杠杆。提高模块效率可显著降低LCOE。只要LCOE保持低位，在光伏系统寿命期内更换模块可能是较低成本的可行解决方案。

为确保LCOE结果的可信度，核心假设参数包括：设备折旧期、产能利用率、铟价波动范围、钙钛矿前驱体价格、年运维成本比率（占初始投资）、模块衰减率和钙钛矿顶电池更换周期。铟价波动±20%可导致LCOE变化约3%–5%，因为铟占CIGS原材料成本的主要部分；钙钛矿前驱体价格波动对LCOE影响相对较小（±20%波动导致LCOE变化<2%），因其在总成本中占比较低；产能利用率从70%提升至90%可降低LCOE约8%–10%，凸显规模经济的重要性。

关于大规模生产，钙钛矿/CIGS叠层电池的制造技术已逐渐成熟。PSCs的溶液法加工和CIGS太阳能电池的薄膜沉积技术可有效应用于大规模生产，使钙钛矿/CIGS叠层电池具有强大的可扩展性。例如，通过利用卷对卷（R2R）加工技术，研究人员已能实现钙钛矿/CIGS叠层电池的大规模制造，这对降低生产成本和提高良率贡献显著。此外，钙钛矿/CIGS叠层电池的柔性使其在可穿戴设备、建筑一体化光伏等领域具有潜在应用，进一步拓展了市场范围。

6.2 商业化前景

假设系统寿命30年，基于成本模型和参数假设计算钙钛矿和钙钛矿/CIGS光伏系统的LCOE，模块更换发生在不同时间。模块更换的核心驱动因素在于两个子电池之间的使用寿命不匹配：钙钛矿顶电池因环境降解通常寿命为10–15年，而CIGS底电池可稳定运行25–30年。这种不匹配使分层更换策略（仅更换降解的钙钛矿顶电池而非整个叠层模块）在经济上可行。在30年LCOE分析中，钙钛矿顶电池的最佳"经济寿命"约为15年。在此更换周期下，叠层系统的LCOE可比整体模块更换方案降低约18%，主要得益于CIGS底电池原材料成本的节省和系统停机损失的减少。相比之下，单结钙钛矿模块初始成本较低，但需要更频繁的更换，导致大规模应用中长期LCOE较高。

更换策略随应用场景而异：对于大规模地面光伏电站，优先选择分层更换，因其可显著降低维护成本并延长系统有效使用寿命；对于柔性便携设备和航空航天应用，整体模块更换更为实际，因其更换难度低且需要集成结构完整性。即便如此，将低成本、高效率钙钛矿与CIGS稳定性相结合的钙钛矿/CIGS叠层，在建筑一体化光伏、柔性和便携式光伏以及新兴空间应用中仍具吸引力。

钙钛矿/CIGS叠层电池的经济改善不仅体现在成本降低，还体现在显著的环境和社会效益。与传统硅基太阳能电池相比，PSCs的制造工艺更环保，减少了对稀有金属的依赖并降低了能耗。此外，钙钛矿材料的生产所需能源更少，可利用可再生资源，有助于减轻太阳能电池生产的环境负担。

当前叠层电池寿命和PCE的LCOE未显示显著差异。对于15年寿命和30%效率的CIGS和钙钛矿/CIGS叠层构型，该配置实现中性环境偏好。相比之下，在相同PCE和寿命水平下，硅和钙钛矿叠层构型仍属于最不利于环境的选项。随着制造技术不断发展，钙钛矿/CIGS叠层电池不仅将降低成本，还将推动太阳能产业的可持续发展，为全球能源转型做出贡献。

替换情景LCOE计算的关键参数假设如下：钙钛矿顶电池更换成本约占整个叠层模块成本的35%；分层更换的劳动力成本和停机损失比整体更换低约50%；CIGS底电池在30年内性能衰减率每年低于0.5%。这些假设来源于CIGS模块的实际运行数据和钙钛矿薄膜沉积工艺的成本核算。

钙钛矿/CIGS叠层电池在经济可行性和商业化前景方面展示出巨大潜力。通过材料和制造工艺优化、成本降低和效率提升，钙钛矿/CIGS叠层电池有望成为未来太阳能产业的重要组成部分。随着市场需求增长和技术突破持续，钙钛矿/CIGS叠层电池将在光伏市场找到更广泛的应用，并在全球能源转型和可持续发展中发挥关键作用。

在商业化定位方面，钙钛矿/CIGS叠层不与钙钛矿/硅叠层在成本敏感的地面光伏市场竞争，而是瞄准柔性、轻量化和高功率重量比优先的应用场景，如曲面建筑一体化光伏、可穿戴电子电源和航天光伏系统。在这些场景中，钙钛矿/CIGS叠层的性价优势能够抵消其成本劣势，从而展现独特的应用价值。

7 结论与展望

钙钛矿/CIGS叠层电池正成为一种有前景的高效率技术，将低成本、带隙可调的钙钛矿顶电池与成熟稳定、强近红外吸收的CIGS相结合。其互补光谱利用带来了显著的PCE增益，2T和4T构型的最新进展分别将认证效率推进至27.3%和30.13%，凸显了其强大的应用潜力。尽管取得这些进展，若干障碍仍限制大规模部署，包括WBG钙钛矿的相偏析、高制造成本、CIGS中的铟稀缺以及钙钛矿/CIGS界面的非辐射复合。为应对这些瓶颈，未来研究应聚焦于三个层次方向，并具备正文明确的技术支撑。

对于WBG钙钛矿，核心任务是抑制光致卤化物迁移和相偏析。在阳离子掺杂和界面钝化策略基础上，未来工作应探索Rb/Cs阳离子掺杂、2D/3D异质结构建和双分子钝化（如F5BPA + p-CF₃PEA）的协同方案。对于钙钛矿/CIGS界面，应基于ALD NiO_x和SAM重构技术发展合理的界面工程，在保持粗糙CIGS表面保形覆盖的同时减少非辐射复合、提高V_OC。为弥合实验室器件与工业生产之间的差距，将溶液法加工钙钛矿与低成本CIGS制造路线集成至关重要。一方面，用非真空溶液工艺（如纳米颗粒油墨涂布）替代高成本CIGS真空共蒸发，降低设备投资和原材料浪费；另一方面，可优化柔性叠层器件的卷对卷（R2R）兼容工艺，并解决大面积沉积过程中钙钛矿与CIGS之间的热失配问题。

针对钙钛矿/CIGS叠层的利基应用场景，未来工作应聚焦两个方面：一是基于钙钛矿（10–15年）与CIGS（25–30年）寿命不匹配的分层更换策略，降低长期LCOE；二是扩展柔性轻量化叠层在航空航天、可穿戴电子和建筑一体化光伏中的应用，其功率重量比优势可弥补与硅基技术的成本差距。

简而言之，推动钙钛矿/CIGS叠层商业化将取决于三个方面：提高长期稳定性、在真实（往往粗糙的）CIGS基底上实现可扩展的制造工艺，以及选择其轻量和柔性优势明确的应用场景。随着这些方面持续取得进展，钙钛矿/CIGS叠层有望超越实验室演示，成为具有竞争力的薄膜技术。本文从工业部署角度讨论了最新进展，强调了直接影响扩展的瓶颈，如商用CIGS的保形加工和与铟相关的资源约束。还提出了使用性能–稳定性–成本视角比较技术路线的实用方法，并概述了不同器件设计和工艺如何匹配特定用例（如航空航天和曲面建筑一体化光伏），以界定钙钛矿/CIGS叠层首先能够获胜的领域。