说到太阳能电池，大家脑海中浮现的是不是架在屋顶上方方正正的，看起来硬邦邦的大板呢？

这类太阳能电池是现阶段光伏发电的中坚力量，但它存在明显的问题：效率有限（难以将太阳光中可用的能量全部转化为电能）、刚性（不易弯折，易碎）、质量大等。因此，应用场景有限，往往只能出现在屋顶上或者电站中。

有没有什么方法能够解决传统太阳能电池存在的问题？苏州大学张晓宏教授团队在国际顶级期刊《自然》上展示了“王炸级”成果——研发出了柔性晶硅钙钛矿叠层太阳能电池，使得光电转换效率达到了33.6%，刷新了世界纪录，打开了“万物皆可发电”的大门。

图源：央视新闻

1.什么是叠层柔性太阳能电池？

为了更好地理解叠层柔性太阳能电池这个概念，我们可以聚焦于“叠层”和“柔性”这两个关键词。

“叠层”交代了其结构特点，即由多层电池叠加而成，一般指的是硅+钙钛矿太阳能电池的组合。

硅基太阳能电池和钙钛矿太阳能电池具有同样的工作原理：当阳光照射到电池上时，光子会激发材料内部的电子，使电子离开原位，同时形成带正电的“空穴”。电子和空穴分别向相反的方向移动，形成电流，从而将太阳能转化为电能。

不过，无论是硅基太阳能电池，还是钙钛矿太阳能电池，它们都只能吸收特定波长的太阳光，这就意味着他们只能利用太阳能中极少一部分的能量。

太阳的辐照度波长分布

图源：知乎@Pjer

叠层太阳能电池是将钙钛矿太阳能电池与硅太阳能电池串联叠加，通过引入负责吸收不同波长的“层”，拓展光谱覆盖范围，提高电池效率。顶层钙钛矿捕获短波光，底层硅捕获长波光，从而实现全光谱利用[1]。这就好比做三明治，只有面包容易造成营养不良，需要面包+蔬菜+肉的组合才能实现营养均衡。

钙钛矿层与硅层之间通过一个互连层（ICL）集成在一起，这种配置允许同时从每个子电池的空穴传输层（HTL）提取空穴，从电子传输层（ETL）提取电子，促进ICL内的载流子复合。也就是说ICL像座“桥梁”，负责连接两个子电池中的电荷传输过程，使钙钛矿层产生的电子和硅层产生的空穴能够在界面处快速结合，从而让两层电池共同工作。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的结构[1]

图源：Nature官网

所谓“柔性”，说明它柔软，易弯曲，可以贴附在任何形状的表面。

传统太阳能电池的基底多为刚性玻璃，整体较硬。而叠层柔性太阳能电池将具有轻质、柔软的高分子材料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI）用作太阳能电池的底层，可以实现弯曲结构，同时减轻质量[2]。

2.如何刷新世界记录？

尽管“叠层+柔性”的方案十分完美，但层与层之间的串联可不像普通电池之间的串联那么简单。叠层柔性太阳能电池理论上高效，但实际上受材料薄膜、界面缺陷和柔性基底弯曲等因素的影响，在长期弯折的过程中，层与层之间容易出现应力集中导致的破裂问题，以及传输受阻问题。

针对叠层柔性太阳能电池效率低、稳定性差的两大挑战，张晓宏团队提出了复合层和双缓冲层两种解决方案，解决了钙钛矿和硅层之间的互联层中的问题。

在效率提升方面，团队针对钙钛矿层和硅层之间电荷传输效率低的问题，通过反应等离子体沉积工艺，将铟氧化物作为复合层，这种重组层就像高速通道一般可以帮助两个电池之间发生快速的电荷传递，减少界面处的能量损失，成功将柔性电池的效率提高至33.6%，电压提高至2.015 V，证明柔性电池可以在效率上与刚性电池媲美[3]。

在稳定性提升方面，团队通过在钙钛矿层和硅层之间加入两层特殊的锡氧化物（SnOx）缓冲层，减少了机械应力，并保证了层间电流传输，使得器件在经历4.3万次折叠后仍然能保持97 %的初始效率[4]。

叠层柔性太阳能电池[3, 4]

图源：Nature官网

基于“叠层+柔性”的结构和高效、易折的特点，叠层柔性电池具有广泛的应用价值。比如，可以为无人机提供动力，减轻负荷；做成可穿戴设备或者集成在衣物上，可以为随身携带的电子产品充电；取代建筑顶部的光伏板，让幕墙成为发电装置，直接实现建筑光伏一体化。

或许在未来，每个人、每辆车、每栋楼都能成为“移动”电源，随时随地实现充电，不用再考虑没电的问题。

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参考文献

[1]Yang G, Deng C, Li C, et al. Towards efficient, scalable and stable perovskite/silicon tandem solar cells [J]. Nature Photonics, 2025, 19(9):913-924.

[2]Jung H S, Han G S, Park N-G, et al. Flexible Perovskite Solar Cells [J]. Joule, 2019, 3(8):1850-1880.

[3]Wang S, Li W, Yu C, et al. Flexible perovskite/silicon tandem solar cells with 33.6% efficiency [J]. Nature, 2026, 649(8095):59-64.

[4]Fang Z, Ding L, Yang Y, et al. Flexible perovskite/silicon tandem solar cell with a dual-buffer layer [J]. Nature, 2026, 649(8095):65-72.

 

作者：张嘉韵，复旦大学材料科学系直博生

科学审核：马汝广 苏州科技大学材料科学与工程学院 教授 

内容来自：上海科技馆