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　　新能源技术的发展浪潮浩浩荡荡ღ★★，每一种新兴技术都身处潮流之中ღ★★。钙钛矿太阳能电池技术是一位实力与运气兼备的“未来之星”ღ★★，过去十余年间ღ★★，已认证光电转换效率一路飙升至27.0%ღ★★，走完了它的前辈——晶硅太阳能电池用了大半个世纪才走完的路ღ★★。钙钛矿太阳能电池技术之所以发展得如此迅猛ღ★★，主要归功于其具有组分和带隙灵活可调ღ★★、原料来源广泛ღ★★、工艺简单ღ★★、成本低廉等方面的优势ღ★★。除此之外ღ★★，它还具备轻质柔性ღ★★、可与硅基太阳能电池集成的优势与搜子居住的日子2中字ღ★★，使其应用空间得到了进一步拓展ღ★★，显示出成为新一代主流光伏技术的巨大潜力ღ★★。文章回顾钙钛矿太阳能电池的基本物理原理与发展历程ღ★★，详细阐述电池器件结构的划分和组成ღ★★，总结针对电池结构及相关材料的优化手段ღ★★，并分类介绍不同类型的钙钛矿太阳能电池及发展现状ღ★★，最后对钙钛矿太阳能电池的研究进行展望ღ★★。

　　今天的故事始于一个家喻户晓的天才——阿尔伯特·爱因斯坦ღ★★：1905年ღ★★，他在革命性论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中提出光子概念ღ★★，成功解释了光电效应ღ★★，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖[1]ღ★★。他将光描述成跳跃的粒子——光子与搜子居住的日子2中字ღ★★，它们如太阳的使者ღ★★，携带能量ღ★★；其中“勇猛”的蓝光或紫外光的高能量光子ღ★★，能使金属中的电子挣脱束缚ღ★★，自由跃出ღ★★。这正是太阳能电池的奥秘ღ★★：光子赋能吸光材料中的电子ღ★★，使其跳跃到更高的能级ღ★★。而电池内部的p-n结则像是一个精心设计的舞池ღ★★，内建电场指挥着这些电子在释放完能量之前ღ★★，跳上一曲霹雳舞ღ★★，将光能转化为电能ღ★★，为人类的生活带来能源ღ★★。

　　我们可以用“热情似火”来形容宇宙中的太阳ღ★★，它时刻在以各种形式向外散播能量ღ★★。用物理学的语言讲ღ★★，太阳的“热情”可以用5800 K的黑体辐射光谱进行近似模拟ღ★★。但当这份“热情”到达地面时ღ★★，已被地球大气中的臭氧ღ★★、氧气ღ★★、水蒸气等大幅削弱ღ★★。为标准化定义经过大气过滤的光谱ღ★★，人们引入了大气质量(air massღ★★，AM)ღ★★，即太阳光经由大气层所经过的距离与其可能的最短距离之比ღ★★：

　　其中θ为天顶角ღ★★，如图1所示ღ★★。当前世界通用的太阳能电池标准测试条件采用太阳光经过1.5倍地球大气层后入射到地球表面的光谱(1.5 global spectrumღ★★，AM 1.5G)ღ★★，即θ= 48.2°时的太阳光谱[2ღ★★，3]ღ★★，入射光能量密度为100 mW·cm−2ღ★★，测试温度为T= 25±1 ℃ღ★★。当我们谈论太阳能电池的性能时ღ★★，AM 1.5G太阳光谱可以为比较和竞争提供标准线ღ★★，公平ღ★★、公正ღ★★、公开ღ★★。在这个万众瞩目的大舞台上ღ★★，不同太阳能电池之间的你追我赶不仅是一场技术的较量ღ★★，更是对太阳能电池潜力的一次全面的探索和展示ღ★★。

　　今天的主角是钙钛矿太阳能电池ღ★★，自然要从“钙钛矿(perovskite)”说起ღ★★。最初ღ★★，“钙钛矿”是指钛酸钙(CaTiO3)这种矿物ღ★★，它在1839年被德国矿物学家Gustav Rose于俄罗斯乌拉尔山中发现与搜子居住的日子2中字ღ★★，并以俄罗斯地质学家Lev Perovski的名字来命名ღ★★，这位老先生估计也没想到百年后的今天一大群来自世界各地的科研人员会天天把他的名字挂在嘴边ღ★★，甚至这些人的研究内容和地质学几乎毫无关系ღ★★。如今ღ★★，“钙钛矿”则是指具有与CaTiO3相同晶体结构(钙钛矿结构)的一类化合物ღ★★，这类化合物具有共同的化学式ABX3ღ★★，其中A和B为尺寸不同的阳离子ღ★★，X为阴离子ღ★★。

　　理想的钙钛矿为等轴晶系结构ღ★★，如图2所示ღ★★，可被视为[BX6]八面体在三维空间中共用X位离子连接组成的网格状框架ღ★★；而A位离子则嵌于八面体间的空隙中[4]ღ★★。在温度ღ★★、压力等外界条件变化或发生离子掺杂时ღ★★，ABX3型钙钛矿结构会发生一系列畸变而产生相变ღ★★。这时ღ★★，需要引入早在1926年由Victor Moritz Goldschmidt提出的容忍因子(tolerance factorღ★★，t)ღ★★，它是用来描述具有ABX3组成的物质能否形成钙钛矿结构的重要判据ღ★★，其表达式如下所示ღ★★：

　　其中RAღ★★、RB和RX分别为Aღ★★、B和X的离子半径ღ★★。当t=1时ღ★★，表明A-X的键长等于B-X键长的2倍ღ★★，对应周期性排列的八面体结构ღ★★；若t偏离1较多ღ★★，则通常会形成低对称性结构ღ★★。研究表明ღ★★，稳定钙钛矿的t值通常接近1ღ★★，或介于0.8至1.0之间[5ღ★★，6]ღ★★。此外ღ★★，共价键强弱ღ★★、孤对效应ღ★★、压强ღ★★、温度等其他因素也对结构形成起着关键作用ღ★★。

　　实际用于钙钛矿太阳能电池的是金属卤化物钙钛矿ღ★★，其合成最早可追溯至1978年[7]ღ★★。它的B位被铅(Pb2+)或锡(Sn2+)等二价金属阳离子占据ღ★★，X位被碘(I-)ღ★★、溴(Br-)ღ★★、氯(Cl-)或类卤素阴离子占据ღ★★。此外ღ★★，A位被甲胺(Methylammoniumღ★★，MA+)或甲脒(Formamidiniumღ★★，FA+)等一价有机阳离子ღ★★、铯(Cs+)或铷(Rb+)等一价无机阳离子占据ღ★★。由此可见ღ★★，这种材料其实既不含钙ღ★★、也不含钛ღ★★，有些“名不副实”的感觉ღ★★，不过我们觉得Gustav Rose和Lev Perovski两位老先生应该也不会介意ღ★★。金属卤化物钙钛矿是一种半导体材料ღ★★，其带隙主要受到B位金属离子的p轨道与X位卤素离子的p轨道之间相互作用的影响[8]ღ★★：它的价带顶主要由X位离子的p轨道决定ღ★★，而导带底则主要受B位离子的p轨道影响[9]ღ★★。通常ღ★★，其带隙可通过组分调控ღ★★，在1.3—3.5 eV范围内灵活调节ღ★★，这也是它的一个重要优点[10]ღ★★。

　　钙钛矿太阳能电池的诞生比金属卤化物钙钛矿材料的问世晚了三十余年ღ★★，直到2009年前后才真正被发明出来ღ★★。这一年ღ★★，虽然整个世界尚处于2008年金融危机的“余震”之中ღ★★，但经历“灾后重建”的世界逐渐展示出一片欣欣向荣的景象ღ★★，光伏行业也不例外ღ★★，硅基太阳能电池产业正在世界各地茁壮地发展着ღ★★。也是这一年ღ★★，日本的Tsutomu Miyasaka等人在《美国化学会志》上发表的论文首次将有机—无机杂化铅卤钙钛矿材料MAPbX3(X=I或Br)作为光吸收材料ღ★★，结合二氧化钛(TiO2)纳米晶薄膜和碘电解质制备出了世界上第一块钙钛矿太阳能电池ღ★★，其结构源于染料敏化太阳能电池ღ★★。材料虽然新奇ღ★★，但电池性能不尽人意ღ★★，基于MAPbI3和MAPbBr3的电池光电转换效率分别仅有3.81%和3.13%ღ★★。并且稳定性也极差[11]ღ★★，传言在扫描一条电压—电流伏安特性曲线之后电池器件就失效了申博首页ღ★★，因此该成果初期并未引起太大关注ღ★★。两年之后ღ★★，韩国的Nam-Gyu Park等人慧眼识珠ღ★★，在Miyasaka等人的工作基础之上ღ★★，通过优化TiO2纳米晶的物化性质进一步将电池器件的光电转换效率提升到了6.54%ღ★★。但稳定性依然很差ღ★★，仅仅持续光照10分钟左右ღ★★，电池光电转换效率就已经衰减了大约80%[12]ღ★★，这对于太阳能电池来说无疑是致命的ღ★★。

　　时间来到2012年ღ★★，钙钛矿太阳能电池迎来了真正的转折ღ★★。两个研究团队分别独立在钙钛矿太阳能电池领域取得了突破性进展ღ★★。Henry J. Snaith等人使用绝缘的介孔氧化铝(Al2O3)替代了介孔TiO2半导体ღ★★，证明了钙钛矿材料不仅可以作为光吸收材料ღ★★，还可以作为电荷传输材料ღ★★，采用固态2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(Spiro-OMeTAD)作为空穴传输层ღ★★，制备出了全固态钙钛矿太阳能电池ღ★★，其光电转换效率高达10.9%ღ★★，并且开路电压高达1.13V[13]ღ★★。几乎同时ღ★★，Nam-Gyu Park与“染料敏化太阳能电池之父”Michael Grätzel强强联合ღ★★，在介孔TiO2层上沉积MAPbI3作为光吸收层ღ★★，同样采用固态Spiro-OMeTAD作为空穴传输层ღ★★，所获得的全固态钙钛矿太阳能电池的光电转换效率能够达到9.7%[14]ღ★★。上述突破性的研究展现出了金属卤化物钙钛矿的巨大潜力ღ★★，迅速引起了世界范围内科研人员的广泛关注和跟进ღ★★。2013年中期ღ★★，其效率已突破15%ღ★★，并被Science杂志评为当年“十大科学突破”之一ღ★★。从图3可见ღ★★，钙钛矿太阳能电池技术发展一路高歌猛进ღ★★，似有破竹之势[15]ღ★★。直至2025年的今天ღ★★，单结钙钛矿太阳能电池的最高已认证光电转换效率已达27.0%ღ★★，足以媲美其前辈——单晶硅太阳能电池ღ★★。它用短短十余年的时间便走完了晶硅电池用了大半个世纪才走完的路ღ★★，且有着赶超前辈之势ღ★★，着实是潜力无限ღ★★。它的发展历程完美地诠释了何为“众人拾柴火焰高”ღ★★、“打铁还需自身硬”ღ★★。

　　图3 不同种类太阳能电池效率进展图(图中数据摘自美国国家可再生能源实验室发布的《太阳能电池效率进展图》)[15]

　　钙钛矿太阳能电池最初借鉴染料敏化太阳能电池的介孔TiO2结构ღ★★，有助于钙钛矿中光生载流子的传输ღ★★。但这种介孔结构需高温烧结ღ★★，增加了处理时间与成本ღ★★。不过ღ★★，转机发生在2013年于Science上同期发表的两篇重磅论文中ღ★★。Tze Chien Sum等[16]通过飞秒瞬态光谱表征手段证明了钙钛矿材料具有双极性传输行为——既可以传输电子也可以传输空穴ღ★★。Henry J. Snaith等[17]发现甲胺基钙钛矿具有超过1 µm的载流子扩散长度ღ★★。这些研究结果表明ღ★★，钙钛矿材料体相具有优异的电荷传输特性ღ★★，同时也为平面结构电池的可行性提供了坚实的理论依据ღ★★。如图4所示ღ★★，单结钙钛矿太阳能电池经过十几年的发展已衍生出多种结构ღ★★，可根据是否包含介孔层分为介孔结构和平面结构ღ★★，也可根据底部透明电极所接触功能层的不同分为正式结构(又称n-i-p)和反式结构(又称p-i-n)与搜子居住的日子2中字ღ★★。正式结构率先取得突破ღ★★，并长期占据效率纪录ღ★★；而近年来反式结构迅猛发展ღ★★，性能持续追赶ღ★★，目前两者效率已基本持平ღ★★，呈并驾齐驱之势[18—20]ღ★★。下面简单介绍一下每种结构及其研究进展与搜子居住的日子2中字ღ★★。

　　(1)介孔结构ღ★★：介孔结构钙钛矿太阳能电池以正式介孔结构为主ღ★★，其器件结构自下而上为ღ★★：透明导电基底电极ღ★★、致密金属氧化物层连同介孔金属氧化物层(作为电子传输层ღ★★，常为TiO2)ღ★★、钙钛矿吸光层ღ★★、空穴传输层ღ★★、金属背电极(图4(a))ღ★★。在这种结构中与搜子居住的日子2中字ღ★★，致密TiO2作为空穴阻挡层ღ★★，可使氟掺杂氧化锡(FTO)与TiO2之间形成肖特基势垒ღ★★，阻止空穴由钙钛矿吸光层向FTO层的传输ღ★★。除TiO2之外ღ★★，Henry J. Snaith等[13]曾用介孔Al2O3代替TiO2ღ★★，Al2O3不参与电荷传输ღ★★，仅起到支架作用ღ★★，电荷可直接通过钙钛矿向两边进行传输ღ★★。Hongwei Han等[21]于2013年开发出一种基于廉价碳电极的可印刷无空穴传输材料介观钙钛矿太阳能电池ღ★★，具有多层介孔金属氧化物结构(TiO2和ZrO2)特征ღ★★，经过十年的努力ღ★★，目前可达到22%的光电转换效率[22]ღ★★。此外ღ★★，Liyuan Han等[23]研究了反式介孔结构ღ★★，将致密氧化镍(NiOx)与介孔Al2O3结构相结合作为空穴传输层ღ★★，制备并验证了相应结构电池的可行性ღ★★。经过十余年的发展ღ★★，目前介孔结构钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率可达26.52%(认证值为26.31%)[24]ღ★★，这也是我们研究团队的最新研究进展ღ★★。

　　(2)正式平面结构ღ★★：随着对钙钛矿材料研究的深入ღ★★，研究者发现体相钙钛矿材料能够高效双极性传输载流子[16ღ★★，25]ღ★★，因此钙钛矿太阳能电池可以采用相对来说更为简化的平面异质结结构ღ★★。如图4(b)所示ღ★★，在正式平面结构中ღ★★，电子传输层通常采用致密TiO2层或二氧化锡(SnO2)层ღ★★，均可通过低温工艺(退火温度≤180℃)制备ღ★★。此外ღ★★，SnO2与FTO和氧化铟锡(ITO)等透明导电氧化物(TCO)成分相近ღ★★，可减小折射率不匹配带来的光损失ღ★★。空穴传输层方面ღ★★，与正式介孔结构类似ღ★★，多采用Spiro-OMeTAD或者类似物ღ★★、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)或聚3-己基噻吩(P3HT)等有机材料ღ★★。此外ღ★★，还开发了CuSCN等无机空穴传输材料体系[26]ღ★★。近年来ღ★★，正式平面结构钙钛矿太阳能电池发展迅速ღ★★，其光电转换效率一度超过正式介孔结构ღ★★，在2020—2023年之间独领风骚[27]ღ★★。

　　(3)反式平面结构ღ★★：对于反式结构钙钛矿太阳能电池而言ღ★★，因为缺乏合适ღ★★、有效的介孔层材料ღ★★，其研究主要围绕着反式平面结构电池进行ღ★★。与正式结构相比ღ★★，其优势包括电流—电压 (I—V)迟滞效应较弱ღ★★、制备温度低ღ★★、叠层兼容性强等[28ღ★★，29]ღ★★。如图4(c)所示ღ★★，反式平面结构电池的各个功能层从下到上依次为透明导电基底电极申博首页ღ★★、空穴传输层ღ★★、钙钛矿吸光层ღ★★、电子传输层ღ★★、缓冲层以及金属背电极ღ★★。反式结构电池中的电子传输层沉积在钙钛矿层之后ღ★★，需温和制备以避免损伤钙钛矿ღ★★，因此常使用富勒烯(C60)及其衍生物(PC61BM或PC71BM)等ღ★★。其中ღ★★，C60可采用热蒸发法制备ღ★★，PC61BM或PC71BM可采用溶液涂布法制备ღ★★。

　　关于反式平面结构钙钛矿太阳能电池的研究工作可追溯到2013年ღ★★，彼时Tzung-Fang Guo等[30]采用的空穴传输层为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)和聚(苯乙烯磺酸)共混材料(PEDOT:PSS)ღ★★。在此之后ღ★★，研究人员陆续发展出了PTAAღ★★、聚(4-丁基三苯胺)(Poly-TPD)等聚合物材料体系以及以NiOxღ★★、CuOx为代表的金属氧化物材料体系ღ★★。从2014年起ღ★★，我们研究团队开始了反式平面结构钙钛矿太阳能电池的研究ღ★★。基于醋酸铅前驱体ღ★★，开发了一系列的反式结构电池[31—33]ღ★★。2018年ღ★★，我们研究团队基于PTAA空穴传输层ღ★★，采用溶液涂布二次生长方法ღ★★，创造了反式结构钙钛矿太阳能电池光电转换效率的世界纪录[34]ღ★★。同年ღ★★，一类自组装单分子层(self-assembly monolayerღ★★，SAM)材料开始被用作空穴传输层[35]ღ★★。得益于SAM材料简便的制备工艺与良好的器件兼容性ღ★★，反式结构电池的效率大幅跃升ღ★★，并反超正式结构ღ★★，频频刷新单结钙钛矿太阳能电池光电转换效率的世界纪录[36ღ★★，37]ღ★★。

　　无论正式还是反式结构钙钛矿电池ღ★★，钙钛矿层都可利用一步法或两步法制备而成ღ★★。一步法是将所有前驱体溶于特定溶剂ღ★★，形成前驱体溶液并涂布于基底ღ★★，生成湿膜ღ★★；随后通过滴加反溶剂或真空闪蒸去除大部分溶剂ღ★★，最后退火实现相转变ღ★★，  得到多晶钙钛矿薄膜[38]ღ★★。钙钛矿的前驱体通常为卤化铅(PbX2)ღ★★、卤化甲铵(MAX)或卤化甲脒(FAX)等ღ★★，溶剂通常为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)ღ★★、二甲基亚砜(DMSO)ღ★★、γ-丁内酯(GBL)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)等ღ★★；反溶剂通常为氯苯(CB)ღ★★、甲苯(Tol)或乙酸乙酯(EA)等ღ★★。两步法则先将PbX2溶液涂布并经低温退火ღ★★，形成含部分溶剂的PbX2薄膜ღ★★；再将其浸入或涂布含MAX或FAX的有机铵盐溶液ღ★★，使其渗透ღ★★、反应ღ★★，最终退火完成相转变ღ★★，制得多晶钙钛矿薄膜[39]ღ★★。

　　由于钙钛矿电池是层层堆叠制备而成的薄膜电池ღ★★，因此不同功能层间界面处的电荷传输过程对于电池性能有着决定性影响ღ★★。如图5所示ღ★★，钙钛矿薄膜表/界面处通常存在大量非辐射复合位点ღ★★，显著影响电荷传输[40]ღ★★。同时ღ★★，钙钛矿薄膜与电荷传输层之间的能级失配也会降低电池性能ღ★★。因此如何优化钙钛矿薄膜的界面ღ★★，调控各功能层间的能级匹配是领域研究的重中之重ღ★★。

　　对于钙钛矿薄膜上界面ღ★★，利用非钙钛矿前驱体的有机铵盐进行界面处理是最常用的方法之一ღ★★。我们研究团队[34]通过溴化胍后处理辅助钙钛矿薄膜二次生长ღ★★，在钙钛矿薄膜近表面区域构筑带隙渐变结构ღ★★，有效减少了界面缺陷并调控能级排布ღ★★，显著降低了反式平面结构电池的电压损失ღ★★。Jingbi You等[41]发现用苯乙基碘化铵(PEAI)处理钙钛矿薄膜表面能够钝化其表面缺陷ღ★★、抑制非辐射复合ღ★★，获得了认证效率达23.32％(准稳态)的正式平面结构电池ღ★★。

　　相对于钙钛矿薄膜上表面而言ღ★★，钙钛矿薄膜的埋底界面(buried interface)由于其非暴露的特性ღ★★，很多常用的表征技术均无法对其进行直接观测ღ★★，但研究表明该界面质量对器件性能也至关重要[42]ღ★★。针对这一挑战ღ★★，我们研究团队[43]发展了多晶钙钛矿薄膜无损剥离技术和原位共聚焦底面荧光成像技术等一系列钙钛矿薄膜埋底界面研究方法ღ★★，重新审视和理解了钙钛矿薄膜的埋底界面ღ★★。埋底界面相较于上界面ღ★★，具有更为严重的半导体异质性与更大面积的非辐射复合区域ღ★★。值得一提的是ღ★★，“埋底界面”这个中文专业术语名称是我们团队专门为“buried interface”起的中文名字ღ★★，近几年也得到了同行们的广泛使用ღ★★，相关研究呈现出井喷式的发展ღ★★，许多课题组都利用埋底界面优化措施显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能[44]ღ★★。在正式结构器件中ღ★★，我们研究团队[24]引入双(2-氨基乙基)醚(BAE)作为钙钛矿太阳能电池的埋底界面分子ღ★★，实现了26.52%的光电转换效率(认证为26.31%)ღ★★，电池的光ღ★★、湿和热稳定性亦显著增强ღ★★。

　　研究者们对于提升太阳能电池光电转换效率的追求是永无止境的ღ★★，就像是百米飞人大战ღ★★，小数点后的每一个数字ღ★★，都是领域内争夺的焦点ღ★★。但根据Shockley—Queisser极限(亦称SQ极限或细致平衡极限)可知[45]ღ★★，单结太阳能电池存在一个理论的光电转换效率上限ღ★★，对于单结钙钛矿太阳能电池而言ღ★★，这个理论极限值为33.7%[46]ღ★★。为了进一步提升电池的光电转换效率ღ★★，更高效地利用太阳光子的能量ღ★★，采用不同带隙的吸光材料吸收不同能量的光子是一个显而易见的策略ღ★★。1994年ღ★★，J. Meier等[47]提出了叠层太阳能电池的概念ღ★★，即顶层宽带隙半透明电池吸收高能光子ღ★★，而透过的低能光子再由底层窄带隙电池吸收ღ★★，有效降低了高能光子的热化损失ღ★★，从而更高效地利用太阳光谱ღ★★。

　　一般来说ღ★★，叠层太阳能电池主要分为两大类ღ★★，如图6所示[48]ღ★★，分别为两端(2T)式和四端(4T)式[49]ღ★★。其中ღ★★，两端式叠层太阳能电池是单片双电极器件ღ★★，由两个或多个子电池串联构成ღ★★。根据基尔霍夫定律ღ★★，两端电池的短路电流由子电池中最低的决定ღ★★，开路电压则为所有子电池电压之和ღ★★，因此对电流匹配要求严格ღ★★。四端叠层电池则由两个或多个子电池机械堆垛并联构成ღ★★，各子电池电路相互独立ღ★★，可在各自最优工艺条件下分别制备ღ★★，并能根据实际应用灵活排布ღ★★，达到最佳工作状态ღ★★。两端电池相对于四端电池来说申博首页ღ★★，因需考虑子电池之间的界面接触ღ★★，因此制备工艺更复杂ღ★★、条件更苛刻ღ★★，需要低电阻率ღ★★、高透光率的电荷复合连接层ღ★★，且各子电池工艺必须相互兼容ღ★★，因此制备高质量器件难度大ღ★★。但两端电池仅需一个透明电极ღ★★，而四端电池则需三个及以上ღ★★，无疑增加了寄生吸收和制造成本ღ★★。

　　钙钛矿太阳能电池具有吸光系数高ღ★★、载流子扩散长度长ღ★★、带隙可调等优点ღ★★，是一块优质的“砖”ღ★★，哪里需要哪里搬ღ★★，在叠层电池中作为顶/底电池皆可[37ღ★★，50]ღ★★。以金属卤化物钙钛矿材料作为吸光材料的叠层太阳能电池目前主要有钙钛矿—晶硅叠层电池ღ★★、钙钛矿—钙钛矿叠层电池ღ★★、钙钛矿—有机叠层电池以及钙钛矿—铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2ღ★★，简称CIGS)叠层电池等[51]ღ★★。其中ღ★★，由于晶硅电池这棵大树已历经了很长一段时间的发展ღ★★，积累了成熟的理论及工艺技术ღ★★，并且它具有合适的带隙(约1.12 eV)ღ★★，因此钙钛矿—晶硅叠层电池受到了最多的关注[52ღ★★，53]ღ★★。

　　钙钛矿—晶硅叠层电池的相关研究始于2014年ღ★★，彼时单结的平面结构钙钛矿太阳能电池刚取得了突破性进展[13]ღ★★。Colin D. Bailie等便制备出了光电转换效率为17.9%的四端钙钛矿—晶硅叠层电池[54]ღ★★；同期ღ★★，Jonathan P. Mailoa等制备出了效率为13.7%的两端钙钛矿—晶硅叠层电池[55]ღ★★。得益于低寄生吸收和低成本等优势ღ★★，两端叠层电池已成为目前主流的钙钛矿—晶硅叠层电池结构[56]ღ★★。如今ღ★★，这种叠层电池的光电转换效率高达34.6%[15]ღ★★，已经超过了单结钙钛矿太阳能电池的SQ极限ღ★★。

　　除了钙钛矿—晶硅叠层电池ღ★★，钙钛矿—钙钛矿叠层电池因其带隙可调ღ★★、成本低廉的优势ღ★★，近年来发展也非常迅猛[57ღ★★，58]ღ★★。Hao-Wu Lin等[59]在2014年提出了全钙钛矿叠层电池的概念ღ★★。Dewei Zhao等[60]通过引入氯元素ღ★★，使钙钛矿吸光层的晶粒尺寸增大ღ★★、乌尔巴赫能减少ღ★★、载流子寿命增加ღ★★，叠层电池的光电转换效率得到提升ღ★★。除了卤素掺杂之外申博首页ღ★★，提高单结窄带隙钙钛矿太阳能电池性能的方法还有组分工程ღ★★、界面工程ღ★★、溶剂工程等[61]ღ★★。

　　CIGS薄膜太阳能电池也是叠层电池中底电池的一种选择ღ★★，其带隙可调低至约1.0 eVღ★★，能够与钙钛矿材料吸收光谱互补匹配ღ★★，构建叠层电池[62]ღ★★。Teodor Todorov等人[63]于2015年成功制备了两端钙钛矿—CIGS叠层电池ღ★★。他们设计了一种原位带隙调控手段来控制MAPbX3(X=I, Br, Cl)的带隙(1.58—2.29 eV 可调)ღ★★，并将其与CIGS底电池相结合ღ★★，获得了10.9%的光电转换效率ღ★★。

　　有机太阳能电池也能与钙钛矿顶电池兼容ღ★★，制备成叠层器件ღ★★。同时其具备与钙钛矿材料相似的溶液可加工性ღ★★、轻质性和柔性[64ღ★★，65]ღ★★。2024年ღ★★，Yongfang Li等[66]开发了一种具有手性异构的表面钝化剂环己烷-14-二碘化二铵(CyDAI2)ღ★★，发现其中顺式结构CyDAI2能够显著降低宽带隙钙钛矿太阳能电池(1.88 eV)的开路电压损失ღ★★，并将其开路电压提高到1.36 Vღ★★，最终得到的叠层电池的光电转换效率为26.4%(认证为25.7%)ღ★★。

　　为更精细化利用太阳光谱的能量ღ★★，理论上可采用无限多不同带隙的吸光层进行堆叠ღ★★。因此ღ★★，两结及以上的叠层电池的理论模型与器件是近年来的研究热点ღ★★。虽然三结叠层的钙钛矿电池理论光电转换效率更高ღ★★，但其结构也更加复杂ღ★★，各功能层制备工艺需高度兼容ღ★★，器件制备难度呈“指数级”上升ღ★★。但科学技术的进步恰恰是突破人类认知极限的过程ღ★★，Zaiwei Wang等[67]制备了全钙钛矿三结太阳能电池ღ★★，开路电压为3.21 Vღ★★，光电转换效率为24.3%(认证值23.3%)ღ★★，实现了钙钛矿三结电池的首个认证效率ღ★★。Shunchang Liu等[68]在1 cm2活性面积的钙钛矿—钙钛矿—硅三结太阳能电池上实现了27.62%的光电转换效率(认证值27.10%)ღ★★。

　　常规的高性能钙钛矿太阳能电池通常在刚性玻璃TCO电极基底上制备ღ★★。然而ღ★★，刚性基底普遍重量大ღ★★、易破碎ღ★★，且无法弯折ღ★★，因此刚性钙钛矿太阳能电池的应用场景相对受限[69]ღ★★。与此同时ღ★★，进入21世纪以来ღ★★，可穿戴和自供电柔性电子产品逐渐进入人类的生活中ღ★★，人们对于柔性太阳能电池的需求与日俱增ღ★★。而钙钛矿材料可低温加工ღ★★、轻质柔韧ღ★★，因此基于柔性基底可实现柔性太阳能电池ღ★★，并应用于光伏建筑一体化ღ★★、可穿戴设备ღ★★、空间光伏等领域[70]ღ★★。此外ღ★★，柔性钙钛矿太阳能电池可使用连续卷对卷(roll-to-roll)工艺进行制备加工ღ★★，因此能实现大面积连续的高效生产[71]ღ★★。

　　目前ღ★★，柔性钙钛矿太阳能电池的性能与刚性电池还有一定差距ღ★★，主要原因在于柔性基底上制备高质量钙钛矿薄膜的难度较大ღ★★，以及柔性电极的电学性能与机械性能均不及刚性电极ღ★★。常见柔性基底为塑料或金属箔ღ★★，器件结构多为平面型ღ★★，类似于刚性电池ღ★★。此外申博首页ღ★★，有些别出心裁的柔性电池也将在下文简要介绍ღ★★。

　　以塑料材料作为柔性衬底是柔性钙钛矿太阳能电池的主要研究方向ღ★★。塑料是生活中最常见的兼具轻质与柔性的材料ღ★★，通常为高分子聚合物ღ★★，非常适合用作透明电极的衬底ღ★★。常用于柔性钙钛矿太阳能电池衬底的材料有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)ღ★★、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)ღ★★、聚酰亚胺(PI)或者Willow Glass柔性玻璃等[72]ღ★★。在柔性衬底上通过磁控溅射等沉积方法制备透明电极ღ★★，然后在其上顺序制备钙钛矿太阳能电池各功能层ღ★★，即可得到柔性钙钛矿太阳能电池ღ★★。

　　早期柔性钙钛矿太阳能电池主要基于正式结构器件开展ღ★★。M.H.Kumar等[73]报道采用电沉积法制备致密氧化锌(ZnO)电子传输层ღ★★，并在常温下通过化学浴沉积法生长ZnO纳米棒作为介孔层ღ★★，获得了2.62%效率的柔性钙钛矿电池ღ★★。Yingqiang Li等[74]在PET / ITO基底上用100℃低温工艺制备了SnO2电子传输层ღ★★，得到了效率为16.8%的柔性钙钛矿太阳能电池ღ★★。

　　反式结构钙钛矿太阳能电池一般不需要高温(大于150℃)的制备工艺ღ★★，因此拥有较为良好的柔性衬底工艺兼容性ღ★★。Lisha Xie等[75]基于反式结构电池ღ★★，在PEN/ITO基底上获得了光电转换效率高达24.08%的柔性钙钛矿太阳能电池ღ★★。伴随着近年来反式结构电池的迅猛发展ღ★★，反式结构柔性电池开始成为主流的技术路径ღ★★，并且电池性能也在迅速提升ღ★★。

　　太阳能电池一直以来都有对于轻质柔性的追求ღ★★，我们研究团队[76]选取厚度仅3 μm的聚对二甲苯(Parylene)膜作为柔性衬底ღ★★，并在其上沉积锆(Zr)ღ★★、钛(Ti)和镓(Ga)掺杂的InOx作为透明导电电极ღ★★，最终制备出的柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为20.2%(图7)ღ★★。凭借着Parylene衬底远低于常规柔性衬底厚度(约100 μm)的超轻薄特性ღ★★，此柔性钙钛矿太阳能电池实现了30.3 W·g−1的超高能质比(发电功率与质量的比值)ღ★★。

　　图7 (a)在超轻柔基底上制备的钙钛矿电池的J—V特性曲线ღ★★；(b)柔性钙钛矿电池弯折时(曲率半径为1 mm)的光学照片ღ★★；(c)基于Parylene的超轻柔电池(PSCs)与其他高能质比太阳能电池的比较[76]

　　部分金属因具有良好的延展性和导电性ღ★★，也适合作为柔性太阳能电池的衬底ღ★★。Minoh Lee等[77]采用钛金属箔为基底ღ★★，银薄膜为半透明顶电极ღ★★，制得了效率超6%的柔性钙钛矿电池ღ★★。Thomas M. Brown等[78]别出心裁地将生活中最常见的柔性材料——纸张ღ★★，作为衬底来制备柔性钙钛矿太阳能电池ღ★★，并分别以金/二氧化锡和氧化钼/金/氧化钼叠层作为底电极及半透明顶电极ღ★★，最终实现了2.7%的光电转换效率ღ★★。除了平面结构外ღ★★，柔性衬底的可弯折特性也可用于构建立体结构电池ღ★★，适用于可穿戴设备ღ★★。Huisheng Peng等[79]以不锈钢丝为金属电极ღ★★，碳纳米管薄膜为透明电极ღ★★，通过浸渍涂布法制得纤维状钙钛矿电池ღ★★，效率达3.3%ღ★★。Dechun Zou等[80]则利用钛金属丝为电极ღ★★，结合自设计涂布装置在其表面依次构建功能层ღ★★，实现7.5%的光电转换效率ღ★★。

　　钙钛矿太阳能电池经过十余年的发展ღ★★，在光电转换效率和器件稳定性提升以及大面积制备等方面均取得显著进展ღ★★。不过“纸上得来终觉浅ღ★★，绝知此事要躬行”ღ★★，一项新技术要真正走出论文图表与搜子居住的日子2中字ღ★★，转化为提高生产力ღ★★、改善人类生活的产品ღ★★，还需要研究人员在产业化ღ★★、应用化方面的不懈努力ღ★★，即科学研究需要和成果转化相辅相成发展ღ★★，才能不忘做科研的初心ღ★★。近十年ღ★★，钙钛矿产业新势力在全球ღ★★，尤其在中国如雨后春笋般涌现ღ★★，如厦门惟华(现为苏州协鑫纳米)ღ★★、杭州纤纳光电ღ★★、无锡极电光能ღ★★、苏州仁烁光能和英国牛津光伏等ღ★★。同时ღ★★，众多传统能源巨头ღ★★，如中国华能ღ★★、三峡集团ღ★★、中国华电和上海电气等ღ★★，以及光伏领域的常青树ღ★★，如隆基绿能ღ★★、天合光能等也凭借雄厚资金与技术储备申博首页ღ★★，积极布局钙钛矿产业化ღ★★。

　　图8钙钛矿太阳能电池的应用场景(a)光伏建筑一体化[81]ღ★★；(b)车载光伏[82]ღ★★；(c)钙钛矿太阳能电池/钙钛矿发光二极管双模器件[83]ღ★★；(d)钙钛矿太阳能电池在空间光伏中的应用[84]ღ★★；(e)基于钙钛矿太阳能电池的大型地面电站[85]

　　钙钛矿太阳能电池具有轻质ღ★★、柔性等特点ღ★★，同时在弱光环境下表现出相对优异的光电转换性能ღ★★，其下游应用场景非常广阔[81—86]ღ★★，如图8所示ღ★★。(1)光伏建筑一体化(BIPV)[87]ღ★★：可通过调控材料带隙和结构ღ★★，实现彩色半透明设计ღ★★，应用于发电幕墙或发电石材ღ★★。(2)车顶光伏[82]ღ★★：汽车对面积及重量相对敏感ღ★★，轻质钙钛矿电池组件成为理想选择ღ★★。(3)移动设备和电子产品[88]ღ★★：钙钛矿电池低温即可制备ღ★★，适于刚性和柔性的应用场景ღ★★，与可穿戴电子产品的兼容性更好ღ★★；同时ღ★★，由于钙钛矿材料是直接带隙半导体ღ★★，且吸光系数较高ღ★★，可制备出兼具发光/发电双模式的钙钛矿光电器件[83ღ★★，89]ღ★★，有望应用于自供电的LED显示设备ღ★★。(4)物联网传感器[90]ღ★★：钙钛矿电池的弱光发电性能好ღ★★，可为室内传感器提供稳定电力ღ★★，助力设备轻量化与长效运行ღ★★。(5)大型地面电站及分布式光伏[91ღ★★，92]ღ★★：钙钛矿电池理论的光电转换效率高ღ★★，且可以与晶硅电池叠层实现更高的光电转换效率ღ★★，与晶硅光伏产业实现匹配衔接ღ★★，未来在光伏电站场景具有较大发展潜力ღ★★。(6)空间光伏[93]ღ★★：钙钛矿电池具有优异的光电转换效率ღ★★、能质比ღ★★、柔性衬底兼容性以及耐辐射性ღ★★，适合作为空间电源系统的太阳能模块ღ★★。在相关研究中ღ★★，Jean V. Manca等人[94]和我们研究团队[84]分别将钙钛矿太阳能电池搭载于浮空器ღ★★，在临近空间真实环境中对其进行了初步测试ღ★★，开展了引领性的研究探索ღ★★，开启其迈向地外的新篇章ღ★★。

　　从21世纪初至今ღ★★，我国的光伏行业经历了一场场跌宕起伏的冒险旅程ღ★★：它先是蹒跚学步ღ★★，然后茁壮成长ღ★★，接着迎来了成长的烦恼ღ★★，跌了几个小跟头ღ★★，每次摔倒后都会拍拍尘土重新站起来ღ★★，在迈向成熟的道路上踔厉奋发ღ★★、砥砺前行ღ★★。2000年初ღ★★，随着政府政策出台ღ★★，中国光伏行业开始萌芽申博首页ღ★★，2004年到2009年逐步发展ღ★★。2010年到2012年ღ★★，因欧美“双反”政策陷入短暂低谷ღ★★，2013年开始逐步回暖ღ★★。2018年后ღ★★，光伏政策不断调整ღ★★，相关技术不断迭代ღ★★，吐故纳新ღ★★，行业进入波动成长阶段ღ★★。2021年ღ★★，碳达峰ღ★★、碳中和在全国两会上首次被写入国务院政府工作报告ღ★★，中国正式开启“双碳”元年ღ★★。目前ღ★★，我国已位居全球光伏新增装机容量首位ღ★★，行业前景可期ღ★★。

　　当前申博首页ღ★★，晶硅太阳能电池仍是光伏市场的绝对主流ღ★★，深蓝色的面板铺设在我国北部的草原ღ★★、西部的荒漠ღ★★、南部的鱼塘和山坡ღ★★、东部的岛屿和海洋ღ★★，向着阳光ღ★★，欢快地接受着大自然的馈赠ღ★★，输送着绿色的能量ღ★★。而钙钛矿太阳能电池近年来异军突起ღ★★，在光电转换效率ღ★★、平均度电成本等核心指标上已逐步接近晶硅电池ღ★★。国内外众多高校ღ★★、科研机构和产业力量也纷纷投入相关研究ღ★★，领域迅速升温ღ★★，高质量研究成果产出和高水平学术论文发表犹如井喷ღ★★，相关的科研支持也不断上涨ღ★★。我们认为钙钛矿太阳能电池未来的发展定位主要有以下三方面可能ღ★★。

　　(1)与硅太阳能电池竞争ღ★★。钙钛矿太阳能电池近年来不断刷新的光电转换效率纪录激发了人们对其撼动硅基光伏技术山河的期待ღ★★。相比于硅基光伏ღ★★，钙钛矿技术具有更质优价廉的成本潜力ღ★★，因此众多科技公司坚定且昂扬地在这条道路上奋勇前行ღ★★。当前ღ★★，单结钙钛矿太阳能电池已经接近硅电池最佳水平ღ★★，而曾被广为诟病的稳定性问题ღ★★，也在持续改善ღ★★。同时ღ★★，我国近年在“全钙钛矿叠层太阳能电池”技术上不断突破ღ★★，其效率已超过硅电池ღ★★，这也再次刷新人们的期望ღ★★。然而ღ★★，作为光伏产业的“巨人”ღ★★，硅电池仍占据主导地位ღ★★，钙钛矿要想正面竞争ღ★★，仍面临重重挑战ღ★★，路阻且长ღ★★，其修远兮ღ★★。

　　(2)与硅太阳能电池联合ღ★★。钙钛矿太阳能电池的一大显著优势是可以简便地调控对太阳光的响应区域ღ★★。硅电池发展了半个多世纪ღ★★，几乎到达了性能顶点ღ★★，如想继续进步ღ★★，需考虑借助新的力量ღ★★。构筑“钙钛矿—硅”叠层太阳能电池ღ★★，利用钙钛矿与硅响应光谱的互补ღ★★，就能实现电池性能的进一步提升ღ★★。站在巨人的肩膀上ღ★★，“钙钛矿”能走得更远更长ღ★★。目前ღ★★，这种叠层电池的光电转换效率已超34%ღ★★，突破35%指日可待ღ★★，受到光伏行业广泛关注ღ★★。诸多硅太阳能电池企业已在该方向有所布局ღ★★。一些钙钛矿电池初创企业也在这条路上走得很是欢畅ღ★★。这条路ღ★★，硅愿意ღ★★，钙钛矿也愿意ღ★★，两厢情愿ღ★★，自然姻情绵长ღ★★。后续二者在稳定性提升ღ★★、工艺成本压缩ღ★★、铅污染防控等方面做好叠加匹配ღ★★，未来可期ღ★★。

　　(3)另辟蹊径ღ★★，扬长避短ღ★★。除了以上两方面ღ★★，还可以考虑“另辟蹊径”的创新原则ღ★★，发掘“互补应用”的创新需求ღ★★，探索“扬长避短”的创新路线ღ★★，发挥钙钛矿电池轻质ღ★★、柔性ღ★★、高能质比等独特优势ღ★★，这也是我们研究团队近年来不断深耕的方向ღ★★。如便携式应用领域ღ★★，其高效轻柔的特点就极具吸引力ღ★★。此外ღ★★，近年来钙钛矿在空间应用方面亦展现潜力ღ★★：太空环境可规避其对水氧敏感的问题ღ★★，铅污染也无需过度担忧ღ★★。研究发现ღ★★，钙钛矿材料能够在空间高能粒子辐照下保持良好的稳定性ღ★★，这似是大自然赋予它的又一个先天优势ღ★★。此外ღ★★，能质比在航天中至关重要ღ★★。目前ღ★★，钙钛矿太阳能电池能质比已突破30 W·g−1ღ★★，意味着仅一个橘子重的电池片ღ★★，在一个标准太阳光照射下ღ★★，就足够驱动一台电磁炉来涮火锅了ღ★★，其数值为现有砷化镓类空间太阳能电池的近十倍ღ★★，更是普通硅太阳能电池的上百倍ღ★★。畅想未来ღ★★，当我们向地外基地发射火箭输送太阳能电池板时ღ★★，同等质量的新型电池将有望产生多十倍的能量ღ★★。这类差异化应用场景ღ★★，将可能成为钙钛矿技术未来增长的关键突破口ღ★★。

　　站在潮头浪尖的钙钛矿太阳能电池虽然潜力无限ღ★★、风光无限ღ★★，但是也风险无限ღ★★，激昂和困惑交织在每个“挖矿人”的心头ღ★★。风险来自若干可能制约钙钛矿太阳能电池发展的关键因素ღ★★：(1)电池的稳定性问题ღ★★，钙钛矿太阳能电池在工作环境下依旧存在明显的效率衰减问题ღ★★；(2)吸光层中含有可溶性重金属铅ღ★★，对环境有潜在的污染风险ღ★★；(3)虽然实验室制备的电池具有可媲美硅电池的高效率水平ღ★★，但是组件级别的大面积电池性能还与晶硅电池尚存在很大差距ღ★★，需不断优化工艺以实现高效规模化制备ღ★★；(4)钙钛矿太阳能电池的基础科学研究还有待增强ღ★★，仍需层层揭开底层的机理“面纱”ღ★★。不过我们相信与搜子居住的日子2中字ღ★★，在科研界与产业界共同的努力下ღ★★，这些问题终会被一一解决ღ★★，那时钙钛矿太阳能电池将能够为人类提供廉价ღ★★、清洁ღ★★、高效的能源ღ★★，“赋能”我们生产生活的方方面面ღ★★。申博·太阳城ღ★★，大阳城集团(中国)科技有限公司ღ★★，光伏工程大阳城集团娱乐游戏太阳能光伏ღ★★。光伏发电ღ★★，