超轻柔性太阳能电池效率达到23.64%，创下新纪录

钙钛矿CIGS叠层太阳能电池的电子显微镜横截面图。图片来源：KIER

韩国能源研究院成功研发出超轻柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池，其光电转换效率达到23.64%，这是迄今为止全球已报道的柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的最高效率。该研究团队研发的太阳能电池重量极轻，可安装于曲面，有望成为未来建筑、汽车、飞机等领域应用的有力候选材料。

晶体硅基单结太阳能电池因其生产成本低且易于量产，在太阳能发电领域占据主导地位。然而，随着单结太阳能电池的效率接近其理论极限，串联太阳能电池（将硅与钙钛矿太阳能电池相结合以提高效率）正受到越来越多的关注。

目前，钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率已高达34.6%。然而，由于其重量较大且易受物理损伤，限制了其在汽车、飞机、卫星等注重轻量化和适应性的领域的应用。

为了克服这些局限性，人们正在开发柔性薄膜钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池。基于CIGS的薄膜太阳能电池极其轻巧且具有柔韧性，非常适合在建筑物、车辆和飞机等曲面表面上使用。然而，与钙钛矿/硅叠层太阳能电池相比，它们的效率较低且制造复杂性更高，这为其商业化带来了障碍。

为了提高叠层太阳能电池的可制造性、柔韧性和轻量化，KIER研究团队开发了一种简单的剥离工艺，并揭示了性能提升背后的潜在机制。最终，制备的钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池实现了23.64%的能量转换效率，创下了迄今为止柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池的最高效率纪录。该研究成果发表在《焦耳》杂志上。

研究团队开发的剥离工艺包括将聚酰亚胺薄膜涂覆在玻璃基板上，在其上制备钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池，然后将其与玻璃分离。与直接使用柔性聚酰亚胺薄膜作为基板的传统方法不同，该方法利用刚性玻璃作为支撑基底，从而能够更稳定地制备太阳能电池。使用平坦的刚性玻璃基板还能确保均匀的层沉积，从而提高器件性能和可重复性。

图形摘要。图片来源：Joule (2024)。DOI：10.1016/j.joule.2024.11.011

研究团队还发现了一种通过减少太阳能电池缺陷来提高性能的方法。在制造过程中，钾等碱金属元素会从玻璃基板扩散到CIGS光吸收层。钾的过度扩散会在吸收层中产生缺陷，阻碍电荷传输，最终降低太阳能电池的性能。然而，迄今为止，尚无有效抑制钾扩散至最佳水平的技术报道。

研究团队利用计算科学预测，涂覆在玻璃基板上的聚酰亚胺层可以抑制钾的扩散。当应用于太阳能电池制造工艺时，该方法有效减少了CIGS吸光层中的缺陷。最终，该器件的能量转换效率达到了23.64%，显著超过了此前柔性钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池18.1%的纪录。

此外，为了验证所制备的CIGS太阳能电池的耐久性，研究团队测量了材料的机械性能，并通过模拟分析了弯曲过程中施加的应力。在进行10万次弯曲循环后，太阳能电池仍保持了初始效率的97.7%，展现出优异的耐久性。

领导这项研究的郑仁英博士表示：“这项研究是一项关键成就，展示了下一代高效太阳能电池技术兼具灵活性和轻便性的商业潜力。它是实现未来效率高达30%的超轻、柔性太阳能电池的重要里程碑。”

该研究的首席研究员 Kihwan Kim 博士表示：“这种太阳能电池的功率重量比大约比钙钛矿/硅串联 太阳能电池高 10 倍，这使得它在需要超轻太阳能电池模块的领域（如建筑外墙、汽车和航空航天）的应用前景广阔。”

他补充道：“通过推进大面积制造工艺和提高稳定性，我们的目标是增强相关行业的竞争力，并为扩大可再生能源的应用做出重大贡献。”