探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 088

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

088 铅钙钛矿有机叠层：强强联合的未来之星 2025-12-10

铅钙钛矿有机叠层, 为什么是“强强联合”？
钙钛矿（Perovskite）负责高电压、高吸收效率；有机（OPV）负责柔性、低能带隙补偿、弱光适应性以及制程兼容性。叠层（tandem）可以把双方各自的短板补平，并把所有优点叠加出来。

1. 光谱互补：天生适合叠层的能带结构
■ 钙钛矿层（Top cell）

可通过 Br/I 比例调控带隙：1.55–1.75 eV 范围非常适合作为顶部子电池

高吸收系数，薄膜即可吃掉蓝光

■ 有机底电池（Bottom cell）

Y6/ITYM 体系等 NFAs 天然带隙低（1.25–1.35 eV）

近红外吸收能力强，可补齐钙钛矿弱吸收的近红波段

结果： 覆盖 350–1000 nm 的完整太阳光谱 → 提升短路电流 Jsc 上限。

核心逻辑： Top cell 吃掉高能光子提高 Voc，下层 OPV 吃剩余低能光子提升 Jsc → 串联叠层整体效率更高。

2. 结构选择：2-T vs 4-T —— 为什么 OPV 特别适合 2-T？
◆ 4-Terminal（4T）

两块独立器件串接，光学干扰少、设计自由，但 光学损失较大、模块复杂度高。

◆ 2-Terminal（2T）串联叠层

需要严格的电流匹配与透明连接层（TCL），但器件轻薄、集成简单。
OPV 的优势极其明显：

超薄（<100 nm）

低温 (<120°C) 可加工

可半透明

与透明导电氧化物/金属氧化物匹配良好

→ 因此 OPV 是目前最容易与钙钛矿构建 2T 串联叠层的底电池。

3. 界面工程：TCL（透明连接层）是决定效率的灵魂

典型结构：
Perovskite / ETL / TCL / HTL(OPV) / Active layer(OPV)

关键要求：

高透过率（>90%）

高电导（10²–10³ S/cm）

对上下层沉积工艺的耐受性

常用方案：

金属氧化物（NiOx、MoOx、ZnO、SnO₂）

超薄金属网（Ag-nano-mesh）

共蒸镀 ITO（低温溅射 + 缓冲层保护）

ALD 薄膜（Al₂O₃、SnOₓ）保护敏感层

OPV 的溶液活性层对溅射特别敏感，因此必须在钙钛矿与 OPV 之间加保护层（buffer + ALD）。

4. 钙钛矿与 OPV 叠层的协同效应（真正“强强联合”的部分）
(1) 高电压来自钙钛矿

Voc 可达 1.1–1.3 eV（1.7 eV 带隙）

串联后叠加 OPV 的 Voc（0.8–0.9 eV） → 总 Voc 直逼 2.0–2.2 V

(2) 高 Jsc 来自有机底层的 NIR 吸收

Y6 衍生物、BTP 系列的吸收延伸至 1000 nm

把钙钛矿透过的红外光全部吃掉

(3) 低温工艺来自 OPV，让叠层可柔性化

钙钛矿可以被沉积在柔性基底

OPV 可在 80–120°C 胶印/刮涂 → 实现柔性叠层电池

(4) 形貌稳定性协同

钙钛矿的热稳定性 + OPV 的湿度耐受（尤其全非卤 NFA）

通过封装与界面工程可使叠层寿命超过单层 OPV

5. 挑战：是什么阻碍了叠层的全面商业化？
(1) TCL（透明连接层）损伤问题

低温 ITO 溅射仍可能损坏钙钛矿或 OPV

超薄金属层易连续性差 → 片阻高

(2) 溶剂兼容性

OPV 活性层溶剂（氯苯/CF/CB）可能溶解钙钛矿表面或 ETL

必须依赖：

中间保护层

Orthogonal solvent（正交溶剂）开发

真空蒸镀 OPV（但目前仍不主流）

(3) 光学管理问题

光子在多层结构内的干涉导致光场不均

需要光学模拟（TMM/FDTD）优化层厚

(4) 稳定性

钙钛矿的离子迁移

OPV 的光氧化

叠层内部的应力/热不匹配

TCL 的老化（银网腐蚀、氧化物变性）

6. 未来路线：真正可能推动效率 >30% 的 4 条路径
(1) 全干法叠层：蒸镀型 OPV + 钙钛矿

避免溶剂攻击

工业兼容性最强

高度重现
（但蒸镀型 NFA 仍在研发中）

(2) 高折射率/低吸收的 TCL（如多层光学腔）

薄层 SnO₂ + 银网 + ALD Al₂O₃ 多层堆

同时提供高透过 + 高导电 + 抗溅射

(3) 钙钛矿稳定性革命（2D/3D passivation）

利用 2D 钙钛矿界面保护 + 全无机 CsPbI₃ 混合策略

抑制离子迁移 + 改善热稳定

(4) 新型 NIR 有机受体（>1050 nm）

若底层 OPV 可以吸收到 1100–1150 nm
→ 叠层 Jsc 上限可再提升 1–2 mA/cm²
→ 效率 >30% 可期

7. 总结：为什么说它是未来之星？
技术 优点 缺点 商用可行性
单层钙钛矿 高效率、低成本 稳定性短板 中
单层 OPV 柔性、轻质、弱光高效 绝对效率低 中高
Perovskite/OPV Tandem 效率潜力极高（>30%）、柔性可行、全低温制造、光谱互补完美 工艺兼容 & 界面工程复杂 最高

→ 它是唯一同时具备“高效率 + 低成本 + 柔性 + 全印刷潜力”的路线。