深度分析 | 钙钛矿太阳能电池研究取得多项新突破

2013年，钙钛矿太阳能电池（PSCs）被《科学》杂志评为2013年十大突破之一。近年来，钙钛矿太阳能电池研发和产业化取得了显著进展，成为最具潜力的下一代太阳能电池。钙钛矿太阳能电池主要包括钙钛矿单结电池、钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/CIGS叠层电池和全钙钛矿叠层电池四类。近期国际上涌现了一系列重要进展。

目前钙钛矿单结电池的转换效率已经达到25.7%，进入初步商业化阶段。但仍存在较多问题和挑战，如器件的迟滞效应、铅毒性、离子迁移现象、大面积薄膜的均匀性以及器件稳定性等。其中，器件稳定性是衡量太阳能电池能否长期运行的一个重要指标，也是目前产业化过程中最需要解决的问题。钙钛矿太阳能电池由导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极五部分组成，其稳定性主要受前驱体溶液的稳定性、钙钛矿器件的其他功能层材料（传输层材料和电极材料）等影响。近期，一些研究通过真空辅助生长、构建空穴传输双层结构、开发钙钛矿前驱体油墨、器件结构设计等方式在实现大面积稳定钙钛矿器件方面取得了进展。

6月12日，德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员采用真空辅助生长（VAG）方法制备可扩展处理的无空隙掩埋界面，用于基于p-i-n的FAPbI ₃ 钙钛矿太阳能模组，将实验室规模的太阳能电池（<1平方厘米）升级为小型模块尺寸（>10平方厘米） ^[1] 。在叶片涂覆的 钙钛矿太阳能电池 （0.105平方厘米）和完全可扩展的模块（12.25平方厘米的孔径面积和96.3%的几何填充因子）中分别实现20.0%和18.3%的转换效率。6月19日，日本电气通信大学研究人员通过在钙钛矿层的两个表面插入一层薄薄的锡金属，有效还原Sn ⁴⁺ ，降低了Sn ⁴⁺ 水平和陷阱密度，实现效率14.31%的锡基钙钛矿太阳能电池 ^[2] 。7月3日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学研究人员提出了一种空穴传输双层结构，以同时提高碳电极钙钛矿太阳能电池的填充因子和开路电压 ^[3] 。使用空穴传输双层的完全印刷碳电极钙钛矿太阳能电池的性能（19.2%）优于使用单一空穴传输层的碳电极钙钛矿太阳能电池的最高效率（17.3%）。7月3日，华中科技大学研究人员通过减少无MA且无Br甲脒基反式钙钛矿太阳能电池的体缺陷和表面缺陷实现25.1%的效率（第三方机构反向电流电压扫描效率为24.5%），并提高了稳定性 ^[4] 。该研究基于路易斯碱添加剂二丁基亚砜，提高了钙钛矿块体的结晶度，降低其缺陷密度和内部残余应力。然后利用三氟碳修饰的苯乙基碘化铵处理钙钛矿薄膜表面，以优化能级，钝化缺陷并保护薄膜不受湿气影响。6月29日，美国托莱多大学和国家可再生能源实验室研究人员合作报道了基于p-i-n（或反向）架构的高效、双面、单结 钙钛矿太阳能电池 ^[5] 。在并发双面测量条件下，在反照率分别为0.2、0.3和0.5的情况下获得了等效、稳定的双面功率输出密度，分别为26.9、28.5和30.1毫瓦/平方厘米。表明双面钙钛矿光伏技术有潜力超越单面光伏技术，具有更高的转化效率和更低的平准化电力成本（LCOE）。

由于当前晶硅电池发展更为成熟，制备工艺更简单，钙钛矿/晶硅叠层具备高效率、低成本优势，理论极限效率有望达43%以上。钙钛矿/晶硅叠层电池包括钙钛矿/异质结（HJT）、钙钛矿/隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）和钙钛矿/钝化发射极和背面电池（PERC），当前钙钛矿/HJT电池在产业化中得到最多实践。目前，钙钛矿/晶硅叠层电池的主要难点是如何在异质结表面的绒面金字塔结构上沉积薄膜（通常在平整导电玻璃上）。近期，钙钛矿/晶硅叠层电池的最高认证效率不断刷新，产业化进程加速。

4月13日，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）宣布其钙钛矿/晶硅叠层电池光电转换效率达到33.7%，欧洲太阳能测试机构（ESTI）对该结果进行了认证，1平方厘米电池器件开路电压为1.974伏特，短路电流密度为20.99毫安每平方厘米，创造了钙钛矿/晶硅叠层电池的新世界纪录 ^[6] 。5月11日，中国曜能科技能源宣布其研发的25平方厘米大面积钙钛矿/晶硅两电极叠层电池效率再获突破，经中国计量科学研究院认证，电池稳态转换效率达到31.46%，刷新了大面积叠层电池效率的最高认证纪录 ^[7] 。6月14日，隆基绿能在Intersolar Europe 2023上正式宣布，经ESTI认证，隆基绿能在商业级绒面CZ硅片上实现了钙钛矿/晶硅叠层电池33.5%的转换效率 ^[8] 。4月20日 ，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究人员提出一种基于表面重构的钙钛矿/晶硅叠层电池，认证效率达到29.3%（稳态效率29.0%），是目前报道的基于TOPCon电池的最高效率之一 ^[9] 。7月6日，德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心研究人员通过将三卤化物钙钛矿（带隙1.68电子伏特）与碘化哌嗪界面改性相结合，改善了能带排列，减少了非辐射复合损失，并增强了电子选择性接触处的电荷提取，钙钛矿/晶硅叠层电池开路电压高达2.00伏，经认证的转换效率高达32.5% ^[10] 。

CIGS是传统商业薄膜太阳能电池技术之一，由于其可调的窄带隙宽度，与钙钛矿顶电池带隙匹配，可以实现高效率的钙钛矿/CIGS叠层电池。该技术面临最重要的挑战之一是在粗糙的CIGS电池表面保形生长钙钛矿顶电池，或者通过增加表面后处理工艺或者优化CIGS吸收层的沉积工艺改善表面粗糙度。近期，有研究对钙钛矿吸收层联合使用体相掺杂及表面处理，使得表面缺陷浓度降低，实现完美的顶、底电池光电流的匹配。

6月28日，武汉大学 研究人员 通过将Cl本体掺入和碘化哌嗪鎓（PDI）表面处理相结合用于CsFAPb(IBr) ₃ 系统，成功降低了本体和界面缺陷密度，并大大提高了1.67电子伏特带隙钙钛矿太阳能电池的开路电压和转换效率，并通过将高效且高红外透明的钙钛矿太阳能电池顶电池与具有类似效率的各种带隙CIGS太阳能电池集成，实现四端叠层电池理想的带隙匹配，效率达到28.4%，是迄今为止钙钛矿/CIGS叠层电池的最高值 ^[11] 。

随着单结钙钛矿技术快速发展，全钙钛矿叠层电池技术也不断取得里程碑式成果。但受到底电池制备工艺及制备材料的影响，其实验室最高效率仍然低于钙钛矿/晶硅叠层电池技术。当前材料稳定性及吸光质量掣肘全钙钛矿叠层电池发展。近期，一些研究通过添加剂，优化电子传输层和空穴传输层，提高界面钝化能力和电荷传输能力。

6月8日，南京大学 研究人员 在锡铅混合钙钛矿/电子传输层界面处建立了具有II型能带结构的非混相3D/3D双层钙钛矿异质结，抑制了界面非辐射复合，促进了电荷的提取，这种异质结构使该太阳能电池实现了28.5%的转换效率（认证效率28.0%）、2.112伏的开路电压、6.5毫安每平方厘米的短路电流以及81.9%的填充系数 ^[12] 。3月29日，四川大学 研究人员 开发了一种新型自组装单层（4PADCB）作为宽带隙钙钛矿太阳能电池的空穴传输层 ^[13] ，基于宽带隙钙钛矿亚电池，实现了转换效率27.0%（认证稳定效率26.4%）的单片全钙钛矿叠层电池，孔径面积为1.044平方厘米。6月12日，该团队又设计了一种供体-受体型分子MPA ₂ FPh-BT-BA(2F)，利用供体-受体型空穴选择性接触减少两个子电池中的非辐射复合损失，实现了高效的单片全钙钛矿叠层电池，转换效率达到27.22%（认证效率为26.3%），并提高了运行稳定性 ^[14] 。

^[1] Hu H, Ritzer D B, Diercks A, et al. Void-free Buried Interface for Scalable Processing of p-i-n-based FAPbI ₃ Perovskite Solar Modules. Joule , 2023, DOI:10.1016/j.joule.2023.05.017.

^[2] Wang L, Miao Q, Wang D, et al. 14.31% Power Conversion Efficiency of Sn-Based Perovskite Solar Cells via Efficient Reduction of Sn ⁴⁺ . Angewandte Chemie , 2023, DOI: 10.1002/anie.202307228.

^[3] Du T, Qiu S, Zhou X, et al. Efficient, Stable, and Fully Printed Carbon-electrode Perovskite Solar Cells Enabled by Hole-transporting Bilayers. Joule , 2023, DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.005.

^[4] Chen R, Wang J, Liu Z, et al. Reduction of Bulk and Surface Defects in Inverted Methylammonium-and bromide-free Formamidinium Perovskite Solar Cells. Nature Energy , 2023, DOI: 10.1038/s41560-023-01288-7.

^[5] Jiang Q, Song Z, Bramante R C, et al. Highly Efficient Bifacial Single-junction Perovskite Solar Cells. Joule , 2023, DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.001.

^[6] KAUST claims 33.7% Efficiency for Perovskite/silicon Tandem Solar Cell. https://www.pv-magazine.com/2023/05/30/kaust-claims-33-7-efficiency-for-perovskite-silicon-tandem-solar-cell/

^[7] 大面积效率31.46%！上半年三破世界纪录！https://mp.weixin.qq.com/s/miYwnByyg23bpooYWKqXFA

^[8] 33.5%！商业级CZ硅片晶硅-钙钛矿叠层电池效率再获突破. https://mp.weixin.qq.com/s/oBVKq7EMJ-E_eoeCU6xG5Q

^[9] Li X, Ying Z, Zheng J, et al. Surface Reconstruction for Efficient and Stable Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Greatly Suppressed Residual Strain. Advanced Materials , 2023, DOI: 10.1002/adma.202211962.

^[10] Silvia M, Eike K, Florian S, et al. Interface Engineering for High-performance, Triple-halide Perovskite-silicon Tandem Solar Cells. Science , 2023, DOI: 10.1126/science.adf5872.

^[11] Liu X, Zhang J, Tang L, et al. Over 28% Efficiency Perovskite/Cu (InGa) Se ₂ Tandem Solar Cells: Highly Efficient Sub-cells and Their Bandgap Matching. Energy & Environmental Science , 2023, DOI: 10.1039/D3EE00869J.

^[12] Lin R, Wang Y, Lu Q, et al. All-perovskite Tandem Solar Cells with 3D/3D Bilayer Perovskite Heterojunction. Nature , 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-06278-z.

^[13] He R, Wang W, Yi Z, et al. Improving Interface Quality for 1-cm ² All-perovskite Tandem Solar Cells. Nature , 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-05992-y.

^[14] Zhu J, Luo Y, He R, et al. A Donor-acceptor-type Hole-selective Contact Reducing Non-radiative Recombination Losses in Both Subcells Towards Efficient All-perovskite Tandems. Nature Energy , 2023, DOI: 10.1038/s41560-023-01274-z.

（ 朱丹晨 ）

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