罗马第二大学Carlo等：基于数据驱动与光电建模的2T钙钛矿/CIGS叠层电池优化研究 原创 纳微快报 纳微快报 nanomicroletters 2026年5月11日 06:02 上海 听全文 在小说阅读器读本章 去阅读 在小说阅读器中沉浸阅读

Assessment and Optimization of 2T Perovskite/CIGS Tandems via Data-Driven and Optoelectronic Modelling

Gemma Giliberti, Guillermo Farias-Basulto, Klaus Jäger, Thede Mehlhop, Christian A. Kaufmann & Aldo Di Carlo

Nano-Micro Letters (2026)18:312

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02141-8

本文亮点

1. 实验模拟协同，解析器件损耗机理：对认证效率达 24.6%的钙钛矿/CIGS 叠层电池开展实验表征和物理建模，揭示了 CdS/CIGS 界面复合以及表面粗糙度引起的钙钛矿体缺陷为主要损耗机制。

2. 缺陷钝化与光学调控结合，显著提升效率潜能：结合校准模拟与数据驱动型Shockley–Queisser 分析开展分步优化，结果表明通过靶向缺陷钝化与光学优化，器件效率潜力可突破35%。

3. 保障器件材料品质，可控带隙提升效能：通过对叠层电池模拟效率的研究，证明在全器件堆叠保持材料质量的前提下，可控带隙调控可进一步提升可实现效率与年发电量。

研究背景

全球能源体系正加速向无化石燃料方向转型，对光伏技术提出了高效率、可规模化、高稳定性与机械柔性的综合要求。钙钛矿基叠层太阳能电池能够突破单结电池的效率极限，成为新一代光伏的重要发展方向。其中，全薄膜型钙钛矿/CIGS 叠层电池相较于钙钛矿/硅叠层具有独特优势，包括低温制备、机械柔性好、抗辐照能力强，适用于建筑光伏 (BIPV)、车载光伏 (VIPV) 及航空航天等特殊场景。目前，钙钛矿/CIGS 叠层电池已获得24.6% 的认证效率，但器件性能仍受光学损耗、电学损耗、界面复合以及CIGS 表面粗糙度引发的钙钛矿体缺陷等问题制约，效率与实际发电量难以进一步提升。

同时，现有研究缺乏实验表征、校准光电模拟与数据驱动型Shockley‑Queisser 极限分析相结合的系统性研究框架，难以精准定位关键损耗通道并提出可实现的优化方案，也缺少多气候场景下的年发电量评估。基于此，本研究以HZB 认证的 24.6% 高效钙钛矿/CIGS 叠层器件为研究对象，通过多尺度物理建模揭示核心损耗机制，明确效率提升路径，并定量预测其在实际应用中的发电潜力。

内容简介

全球向无化石能源体系转型，凸显了光伏技术需兼具高效率、可规模化、耐用性与柔性的核心需求。单片式钙钛矿/铜铟镓硒(CIGS)叠层太阳电池(TSC)是钙钛矿/硅叠层电池的理想薄膜替代方案，兼备低温制备、机械柔性与抗辐照特性。然而，其实际应用潜力仍受光学、电学与界面耦合损耗的制约。罗马第二大学Aldo Di Carlo等人构建了一套集成校准光学模拟、漂移–扩散器件建模与Shockley–Queisser(SQ)理论的模拟方法，并引入外部数据库提取的经验非辐射复合因子。以德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心(HZB)认证效率24.6%的叠层电池为研究对象，本文明确了器件性能瓶颈，量化了缺陷钝化、光学优化与带隙调控的提升效果，并将评估拓展至典型气候下的年发电量。结果表明，该叠层电池实际效率上限可超35%；在真实户外环境下，无论采用固定倾角还是单轴跟踪安装，其发电量均显著优于钙钛矿与 CIGS 单结器件。同时，基于数据库的SQ理论将经验非辐射复合因子与器件性能关联，为不同叠层结构提供了真实可信的性能基准。综上，本研究证实钙钛矿/CIGS 叠层电池是下一代光伏技术中极具竞争力的高性能候选方案。

图文导读

I 器件结构与建模

图1. 单片式钙钛矿/CIGS 叠层太阳能电池。(a)器件层结构：由宽带隙三阳离子钙钛矿(PVK-3C，1.63 eV)顶吸收层与带隙渐变的 Cu (In,Ga) Se₂(CIGS)底电池构成。(b)平衡态下模拟的单片式钙钛矿/CIGS 叠层器件能带图(暗态、偏压 V=0)：蓝色为导带，红色为价带，绿色虚线为电子准费米能级，橙色虚线为空穴准费米能级；在此条件下，电子与空穴准费米能级重合，表现为单一费米能级。(c)电子传输层(ETL)区域放大图：包含 IZO、SnO₂、C60及钙钛矿吸收层。(d)钙钛矿(PVK)与 CIGS 子电池间层结构放大图。

图 1 展示了2T 两端单片式钙钛矿/CIGS 叠层太阳能电池的完整层结构与平衡态能带分布，是全文所有模拟与机理分析的基础。图 1a展示了24.6% 认证效率器件的完整堆叠：从上到下包括减反层、透明电极、电子传输层、钙钛矿顶电池、隧穿复合层、CIGS 底电池与背电极。图 1b为全器件暗态平衡能带图，钙钛矿为p‑i‑n 结构，CIGS 因 Ga 渐变出现能带弯曲，决定载流子输运行为。图 1c为电子传输层，IZO/SnO₂/C₆₀能级匹配良好，利于电子抽取与收集。图 1d为隧穿复合结，2PACz、NiOₓ与 AZO 形成高效隧穿复合结，是 2T 叠层实现电流匹配的关键。

II 电池性能损耗分析

图2. (a)光学模拟结果：堆叠柱状图展示 AM1.5G 光照下，叠层器件各组成部分贡献的模拟光电流。(b)光电模拟结果：叠层结构中钙钛矿顶电池与 CIGS 底电池的外量子效率(EQE)。

图 2 是钙钛矿/CIGS 叠层电池的光学损耗与光电性能，用分析器件的主要光损失与电流限制因素。图 2a为光学模拟光电流分解(堆叠柱状图)，在 AM1.5G 标准光照下，定量给出叠层电池各部分的光电流贡献，主要光损失来自前表面反射和非活性层的吸收。钙钛矿顶电池与 CIGS 底电池光电流接近，基本实现电流匹配。CIGS 表面粗糙度带来一定光捕获增益，但也带来缺陷问题。

图 2b为光电模拟与实测 EQE 对比，展示了钙钛矿顶电池、CIGS 底电池的外量子效率曲线。模拟曲线(实线)与 HZB 实验数据(虚线)高度吻合，证明模型可靠。CIGS 底电池为电流限制端，主要损失来自CdS/CIGS 界面复合。

图3. (a)单结钙钛矿(红色)、单结 CIGS(蓝色)与叠层器件(黑色)的模拟 J–V 曲线；虚线为认证数据与实验室自研数据。(b)钙钛矿子电池、(c)CIGS 子电池的开路电压随带隙(Eg)的变化关系。

图 3 用于定位叠层电池的电压损失来源，通过 J–V 曲线、开路电压–带隙关系，揭示钙钛矿与 CIGS 各自的非辐射复合损耗。图 3a为单结钙钛矿、单结 CIGS、叠层电池三者的模拟 J–V 曲线。模拟结果与认证数据、实验室实测数据高度吻合，证明模型校准准确，直观展示叠层电池相比单结器件的电压与效率优势。

图 3b(钙钛矿)CIGS 表面粗糙度显著降低钙钛矿开路电压，加剧非辐射复合，是关键电压损失来源。图 3c(CIGS)：CdS/CIGS 界面存在明显复合损失，使开路电压低于理想值。通过ƒc 等值线量化偏离辐射极限的程度，明确钙钛矿体缺陷、CdS/CIGS 界面复合是两大核心瓶颈。

III 钙钛矿/CIGS串联器件的实际效率潜力

图4. (a)不同优化场景下单片式钙钛矿/CIGS 叠层电池的模拟 J–V 曲线。(b)初始状态与各优化方案对应的效率，并与认证测试数据、实验室实测数据以及 Shockley–Queisser(SQ)理论极限进行对比。

图 4 展示了钙钛矿/CIGS 叠层电池从基准状态到逐步优化的效率提升路径，通过 5 种场景模拟，量化缺陷钝化与光学优化带来的性能增益。

图 4a为不同优化场景下的模拟 J–V 曲线，从基准器件(Case 1)开始，依次进行界面钝化、钙钛矿缺陷抑制、高质量材料、理想光学条件等逐步优化。随着优化推进，开路电压、填充因子(FF)、短路电流 同步提升，曲线更接近理想矩形。

图 4b为各场景效率对比，基准效率约 26.3%。通过钝化 CdS/CIGS 界面，效率提升至 28.9%；通过抑制粗糙度诱导的钙钛矿缺陷，效率达 31.4%；通过采用数据库最优材料参数，效率提升至33.3%。通过理想光学条件(无反射、无寄生吸收)，效率突破 35.5%。所有模拟值均与认证效率、实验数据、SQ 理论极限做对照，证明数据的可信度高。

图5. 五种逐步优化方案在莫哈韦(沙漠)、戈尔登(温带)、西雅图(弱光/散射光)三地的年发电量，对比固定倾角与单轴跟踪两种安装方式。

图 5 展示了五种逐步优化方案在三种典型气候、两种安装方式下的年发电量。从基准到逐步优化，年发电量持续提升，效率增益可真实转化为发电收益。其中，单轴跟踪的安装方式比固定倾角发电量高 8%–14%。特别是在散射光多、光照多变的地区(西雅图)，光学优化带来的提升更显著。

图6. 方案 3 在莫哈韦、戈尔登、西雅图三种气候下，采用固定倾角与单轴跟踪的年发电量，对比钙钛矿单结、CIGS 单结、CIGS 滤波(底电池)与 PVK/CIGS 叠层电池。

图 6 对比了图5中方案 3 优化后，叠层电池与单结电池在真实气候下的单位峰值功率年发电量。通过对比，叠层电池的单位峰值功率发电量略低于单结电池，主要受电流匹配限制，但叠层的总发电量绝对值仍更高，且在各类气候下表现稳定。单轴跟踪能明显提升所有器件的发电收益。

IV 带隙调控提高电池效率

图7. (a)叠层电池模拟效率与开路电压随钙钛矿顶电池非辐射复合因子(ƒc)的变化关系。实线对应光学传输矩阵法–射线追踪(TMM–RT)模拟结果，虚线表示理想吸收极限。(b)两种带隙在三种气候条件下、分别采用固定倾角与单轴跟踪安装方式的年发电量。

图 7 围绕钙钛矿顶电池带隙调控展开，分析材料质量(非辐射复合因子 ƒc)与带隙宽度对效率和年发电量的影响。图 7a展示叠层电池效率、开路电压随非辐射复合因子 ƒc的变化趋势。ƒc 越高(缺陷越少、材料越好)，效率与 开路电压 越高；将钙钛矿带隙从 1.63 eV 提到1.68 eV可进一步提升效率。图 7b为不同带隙的年发电量对比，结果发现带隙提高到 1.68 eV能提升效率与发电量，但前提是材料质量必须好(ƒc 足够高)。材料质量差时，宽带隙反而会降低发电量。

V 结论

本工作结合前沿实验与校准光电模拟，对钙钛矿/CIGS 叠层太阳能电池开展了全面数值分析。以亥姆霍兹柏林材料与能源中心(HZB)认证效率为 24.6% 的器件为研究对象，本研究通过明确引入 CIGS 带隙渐变与表面粗糙度特征，成功识别出主导性能的损耗机制，并将模拟结果与实验外量子效率(EQE)与电流–电压(J–V)数据完成有效验证。

本研究的核心创新点在于，将改进型 Shockley–Queisser(SQ)理论框架与从 MaterialZone 数据库提取的经验非辐射复合因子相结合，使效率评估从理想极限转向更贴近实际的性能基准。

分步优化路径表明，通过抑制CdS/CIGS 界面复合与控制CIGS 表面形貌，可将钙钛矿/CIGS 叠层电池效率从约26%提升至31% 以上。在此基础上，结合高质量材料体系、先进界面工程与针对性光学优化以降低残余寄生损耗，理论上可使器件在 AM1.5G 标准光谱下实现35% 以上的转换效率。

全年发电量模拟证实，上述效率提升在多种气候条件下均具备稳健的实际收益，尤其在光谱多变与低辐照场景下提升效果更为突出。将钙钛矿顶电池带隙从1.63 eV提高至1.68 eV可带来最高3 个百分点的效率增益，并实现全年发电量的持续提升。但这一优势高度依赖材料质量的保持，非辐射损耗过高将抵消宽带隙带来的益处。此外，为维持电流匹配，顶电池厚度需相应增加，这对宽带隙钙钛矿的稳定性与缺陷钝化技术提出了更高要求。

总体而言，本研究绘制了一条兼具技术可行性与材料数据支撑的性能提升路线图。基于数据库的复合因子修正 SQ 方法，将分析从理想极限推向真实可实现的基准，不仅提升了效率预测精度，还可快速、可迁移地用于最优带隙设计与研究重点识别，为物理建模提供了重要补充。

本研究结果充分表明，钙钛矿/CIGS 叠层电池作为两端(2T)钙钛矿/硅器件的全薄膜替代方案，具备巨大的未开发潜力。未来通过三端、四端结构可进一步放宽电流匹配限制，开辟更多性能提升路径。同时，钙钛矿/CIGS 界面的热机械应力管理、界面工程与系统级设计优化，对提升高温与热循环条件下的运行稳定性至关重要。

随着宽带隙钙钛矿的界面调控、稳定性以及力学与系统设计的持续进步，钙钛矿/CIGS 叠层太阳能电池有望向 40% 转换效率迈进，成为兼具轻质、柔性与高适应性的新一代光伏技术，在地面与空间应用中展现重要价值。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 罗马第二大学Carlo等：基于数据驱动与光电建模的2T钙钛矿/CIGS叠层电池优化研究 原创 纳微快报 纳微快报 nanomicroletters 2026年5月11日 06:02 上海 听全文 在小说阅读器读本章 去阅读 在小说阅读器中沉浸阅读