综述：灵活的双端单片钙钛矿/硅串联太阳能电池：实现轻量化、高效率光伏技术的路线图

《Materials Today Energy》：Flexible two-terminal monolithic perovskite/silicon tandem solar cells: A roadmap for lightweight high-efficiency photovoltaics

　　

杨金丽|陈思诺|王立春|雷子欣|周苏|赵磊|王文静|李子佳|周春兰

中国科学院电气工程研究所，北京 100190，中国

摘要

柔性双端（2T）钙钛矿/硅串联太阳能电池结合了高性能的钙钛矿吸收层和薄晶硅底层电池，实现了高功率转换效率和机械柔韧性。这种结构还提供了具有竞争力的功率重量比，使其非常适合对重量敏感的应用。本文综述了柔性2T钙钛矿/硅串联电池，重点关注了性能指标、机械稳定性以及结构完整性的方法，包括薄硅基底加固、宽带隙钙钛矿的添加剂工程和残余应力管理。在电池和模块层面都讨论了功率重量比的问题。同时，还探讨了主要挑战，如光学管理、钙钛矿在纹理化薄硅上的均匀性以及与串联结构兼容的金属化和互连。最后，还讨论了其他问题和前景，包括环境耐久性、特定应用挑战以及生命周期的经济性和可持续性分析。

引言

光伏（PV）领域长期以来一直在追求高性能的太阳能电池设备，这些设备兼具高效率、机械强度和低重量，适用于传统刚性模块不适用的广泛新兴应用[1]。在过去十年中，金属卤化物钙钛矿作为一种高性能光伏材料脱颖而出。当与晶硅（c-Si）底层电池以串联结构集成时，尤其是采用双端（2T）结构时，它们提供了一种超越单结肖克利-奎瑟极限的可行途径。事实上，最先进的刚性2T钙钛矿/硅串联太阳能电池已经实现了高达35%的认证功率转换效率（PCE）[2]。更值得注意的是，最近在柔性2T配置方面的进展使得认证PCE值超过了33%[3]，缩小了刚性电池和柔性电池之间的性能差距。

通常，真正的柔韧性需要薄c-Si基底（通常< 100 μm），以便在不影响性能的情况下实现弯曲[4]。向这种薄基底的过渡引入了PCE和柔韧性之间的基本权衡，这仍然是一个核心挑战。将薄硅底层电池与低温处理的钙钛矿层集成需要仔细管理光学损失、界面复合和机械应力。第一个问题是如何改善c-Si底层电池的光吸收，因为其近红外（NIR）光响应有限。了解薄硅基底相对于传统厚晶圆的固有局限性对于优化串联器件性能和商业可行性至关重要。需要采用光学调节策略，包括硅表面纹理化和沉积抗反射和背反射层，以最大化光捕获。此外，由于薄基底的体积较小，柔性结构通常表现出较差的表面钝化质量，使得表面复合更为显著，从而降低了对钝化缺陷的容忍度[5]。因此，高质量的表面钝化对器件性能至关重要。减小基底厚度也给柔性串联电池的加工带来了挑战。例如，薄硅晶圆的熱質量较低，使得在纹理化表面上控制钙钛矿的结晶和成分变得更加复杂[6]。因此，可能需要修改沉积和后续热处理的加工条件。除了这些光电问题外，柔性钙钛矿/硅串联电池的长期稳定性还受到薄膜形成、热膨胀不匹配和机械弯曲引起的残余应力的威胁[7]。残余应力通常源于钙钛矿薄膜和硅基底之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，以及结晶过程中的晶格畸变。这些残余应力可能在加工和模块集成过程中导致机械故障。此外，在储存和使用过程中发生的机械变形会进一步加剧应力集中，从而促进薄膜裂纹、分层和界面层的加速退化。通过精确控制沉积过程并加入应力释放中间层，可以有效缓解这些问题，这些中间层能有效减轻由热膨胀差异和基底弯曲引起的应变。

对于2T串联模块，互连和封装策略必须同时保持电气完整性并保护钙钛矿层免受降解，同时适应反复的机械弯曲[8]。2T柔性太阳能电池对低温加工的需求进一步限制了材料和互连方法的选择，从而强调了新兴的低温焊料、导电胶（ECAs）和柔性导线互连。同时，封装层必须提供对湿气、氧气和紫外线（UV）的坚固屏障，同时保持柔韧性和高光学透射率[8]。此外，使用原子层沉积和柔性屏障材料的先进封装技术确保设备在长时间运行和各种环境条件下保持高效率和机械完整性[9]。

本文全面分析了柔性钙钛矿/硅串联太阳能电池的关键挑战，并提供了综合策略来协调光电性能和机械强度之间的固有权衡。虽然现有的综述主要集中在器件架构和通用薄膜形成方法上，但本文重点关注了决定功率转换效率和结构完整性的关键材料和加工创新。我们首先评估了当前的发展状况，特别关注柔性钙钛矿/硅串联太阳能电池的性能指标和机械耐久性。这包括对薄化c-Si的效率提升策略、高质量宽带隙钙钛矿吸收剂的添加剂，以及通过界面和透明电极工程实现的应力缓解技术的评估。随后讨论了实际应用中的挑战和机遇，包括工业柔性串联电池和模块的低温金属化、互连和封装技术。最后，还概述了其他问题和前景，包括在真实世界条件下的长期可靠性测试、特定应用验证，以及全面的生命周期评估，以评估其可持续性和经济可行性。

部分摘录

性能指标

柔性光伏设备必须满足与传统刚性设备不同的严格减重要求。如图1a所示，对于空间电力系统、建筑集成光伏（BIPV）、车辆集成光伏（VIPV）和可穿戴电子设备等重量敏感的应用，需要不同的评估框架。在这些场景中，轻量化设计和更高的功率输出对于最小化结构载荷和运行

光学管理和光耦合

柔性钙钛矿/硅串联太阳能电池的发展需要薄硅底层电池，以降低材料成本和重量，同时保持机械柔韧性。然而，减小硅吸收层的厚度会直接降低其捕获近红外（NIR）光子的能力，导致短路电流密度（J_sc）低于传统厚硅电池。光学耦合不仅影响Jsc，还影响设备的稳定性和机械性能

其他问题和前景

环境耐久性涉及化学稳定性和机械韧性。目前，大多数柔性串联设备是在惰性条件下评估的，这无法捕捉到户外运行过程中遇到的全部应力。要全面了解柔性模块封装，需要深入研究材料相互作用和界面兼容性。长期可靠性取决于足够的界面粘合剂能量和化学

结论

柔性钙钛矿/硅串联太阳能电池已经取得了显著的性能，使其处于下一代光伏技术的前沿。尽管专门的研究仍然有限，但单结柔性c-Si电池、柔性钙钛矿电池和刚性串联电池的进步为该领域奠定了坚实的基础。关键的电池级发展包括薄硅基底的机械加固、优化的光捕获结构、用于改进钙钛矿的添加剂

CRediT作者贡献声明

李子佳：监督、方法论、调查、概念化。杨金丽：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析。周春兰：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、正式分析、数据管理。雷子欣：可视化、方法论、调查、正式分析。周苏：可视化、验证、方法论。陈思诺：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据将应要求提供。

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致谢

本工作得到了江苏省碳中和科学技术创新碳峰专项基金（BE2022021-4）的财政支持。