近年来，钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本的潜力成为研究热点。2024年欧盟联合研究中心（JRC）发布《能源领域新兴技术》报告，在光伏领域将双面钙钛矿太阳能电池、锡基钙钛矿太阳能电池、钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池等在内的9项新兴技术纳入其中。而我国2023年11月发布的《关于开展第四批智能光伏试点示范活动的通知》，明确提出优先发展包括钙钛矿及叠层太阳能电池、先进薄膜太阳能电池，以及相关产业链配套设备。本文深入分析钙钛矿太阳能电池领域关键前沿技术发展现状与未来发展趋势，提出相关研发布局建议。
一、关键前沿技术发展态势
1、单结钙钛矿电池
单结钙钛矿太阳能电池主要分为介孔结构和平面结构两种。2024年7月初，中国科学技术大学徐集贤教授团队创造了26.7%的单结钙钛矿电池稳态认证效率纪录，这是徐集贤团队继2022年、2023年之后第三次更新该世界纪录[1]。2023年，该团队创造了反式器件认证效率26.1%，实现了钙钛矿电池效率超越26%、打破传统正式器件垄断世界纪录的双重突破。本次成果是在此基础上持续攻关的又一引领性突破。
单结钙钛矿太阳能电池未来发展趋势[2]包括：①提高电池效率，开发高效稳定的钙钛矿材料、功能添加剂、界面材料和最优器件结构，将单结电池效率提升至约28%以上；开发最优钙钛矿油墨配方和器件加工工艺，支持大尺寸钙钛矿太阳能电池组件的发展，以实现工业化。②提升钙钛矿电池组件长期服役稳定性，优化电池本身的组分和微观结构，优化钙钛矿光伏组件的封装材料和封装工艺，实现在水汽、高温、紫外线照射等外界条件刺激下，钙钛矿电池组件稳定服役。③大面积钙钛矿组件效率和品质不断提高，提高国产真空镀膜设备的大面积均匀连续镀膜性能，解决大面积镀膜产线上的工艺调试及技术瓶颈。④光伏产线设备关键部件开发，提高真空镀膜设备中的真空泵、射频电源、阀门等，激光刻蚀设备中的激光器、振镜等技术指标和质量可靠性，解决钙钛矿组件产线关键部件进口依赖。
2、钙钛矿/晶硅叠层电池
钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池有多种配置方式，常见的配置方法有二端叠层与四端叠层电池。从工艺难度来看，最容易实现的是机械堆叠的四端叠层电池。2023年，西安电子科技大学郝跃院士团队提出利用硫氰酸铅（Pb(SCN)2）添加剂和氯化甲基铵（MACl）后处理的方法来增强宽带隙钙钛矿薄膜（1.68 eV）的结晶度并改善其界面特性，制备出的钙钛矿/晶硅四端机械叠层太阳能电池的最高效率达到了30.91%，刷新效率纪录[3]。2024年7月，隆基绿能通过优化电子传输层薄膜沉积工艺、引进高效缺陷钝化材料、在隆基自研的商业化CZ硅片衬底上成功实现了晶硅/钙钛矿四端叠层电池技术的新突破，电池效率达到34.6%的世界纪录。
两端叠层电池是在晶硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成[4]，通过复合层或隧道结将两个子电池串联连接。与机械堆叠的四端电池相比，这种两端架构只需要一个透明电极，由于更少的电极材料使用和更少的沉积步骤，两端电池的制造成本极大降低。2024年7月，隆基绿能研制的商业化M6尺寸钙钛矿/晶硅两端叠层电池实现30.1%的光电转换效率，为目前最高水平[5]。
三端结构作为一种全新的设计思路逐渐进入了研究者的视野[6][7]，2023年，华中科技大学王鸣奎等人展示了一种面积为4 cm2的三端单片钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，采用通过大规模工艺生产的工业级TOPCon晶硅底电池，光电转换效率为29.11%[8]，为目前最高水平。
钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池未来发展趋势[9]包括：①提高效率和稳定性，包括通过优化电荷传输层（CTL）和窗口层的厚度和带隙，以及开发具有低或无寄生吸收的替代材料，降低光学损失；通过调整透明导电氧化物（TCO）的折射率，设计抗反射涂层（ARC），以及使用纹理化的硅底板，减少反射损失。②探索新型材料和结构，包括研究无机钙钛矿作为顶层，因为无机钙钛矿具有更稳定的带隙，可以提高效率和稳定性；探索其他具有高电导率和低寄生吸收的材料；探索n型硅底板结构，以进一步提高效率和稳定性；探索更简单、更经济、更具制造可行性的大面积制备技术。③解决铅毒性问题，探索无铅或低铅钙钛矿材料，例如锡基和铋基钙钛矿，以实现可持续发展；探索铅化学吸附技术。④推进商业化进程，解决组件中的串联连接、反向偏置稳定性和封装等问题，以实现高效钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池组件的制造。
3、全钙钛矿叠层电池
早期全钙钛矿叠层太阳能电池的性能比单结电池低很多，但因其独有优势，如优良的光电性能、低成本和带隙可调，使其仍受到关注。2016年，英国牛津大学Snaith等人将宽带隙（1.8 eV）钙钛矿（FA0.83Cs0.17PbI0.83Br0.17）与窄带隙（1.2 eV）钙钛矿（FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3）结合为叠层太阳能电池，首次实现了16.9%的转换效率[10]。2024年，南京大学与仁烁光能（苏州）有限公司利用低成本的多晶薄膜光伏材料，共同研制的小面积全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达30.1%，为当前该尺寸最高水平[11]，但与理论的极限效率42%相比还有很大的提升空间。
全钙钛矿太阳能叠层电池未来发展趋势[12]包括：①在提高效率方面，开发更有效的抗氧化剂和钝化材料，延长载流子扩散长度，制备高质量的混合铅锡钙钛矿薄膜；探索性能优于PEDOT:PSS的空穴传输层。②在改善稳定性方面，深入研究封装技术，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，使其满足光伏产业的需求；开发更先进的表征方法，密切监测钙钛矿器件的降解过程。③在大面积制造方面，探索溶剂调节、成分工程和添加剂工程等策略，以便在较大面积上均匀地涂覆致密的钙钛矿吸收层；选择合适的组件制造工艺，以防止金属电极与钙钛矿中的卤化物直接接触，从而减少降解途径。
4、室内（弱光）钙钛矿电池
相较于太阳光伏，室内光伏这一概念出现的时间较短，但随着物联网的兴起以及小型电子元器件的发展，室内光伏电池成为一大研究热点。2015年，Lin等人将杂化钙钛矿电池应用于室内光伏，5.1 mm2的小面积器件以及5.44 cm2 的大面积器件在1000 Lux 的荧光灯照明下分别获得了27.4%以及20.4%的效率[13]。2024年，暨南大学/脉络能源麦耀华基于复合材料的宽带隙钙钛矿加合物，通过在三氯甲烷中添加油碘化铵溶液作为宽带隙钙钛矿前体的双重添加剂，一步加工制备的宽带隙钙钛矿电池实现室内（1000 Lux (338.2 µW cm–2) 的U30光下）光伏效率44.72%认证效率纪录[14]。
相比于杂化钙钛矿，无机钙钛矿与室内光伏的理想材料带隙具有更小的差异[15]，因此无机钙钛矿或许更加适合作为室内光伏的吸光材料。Wang等人用(NH4)2C2O4·H2O处理CsPbI2Br薄膜以减少能量损失，在1000 Lux荧光照明下获得28.48%的效率[16]。Miyasaka等人采用新型聚合物作为空穴传输层制备的CsPbI2Br器件，在200和1000 Lux的WLED照明下分别获得了34.20%和32.60%的效率[17]。虽然还没有CsPbI3钙钛矿应用于室内光伏的研究，但合适的带隙（1.73 eV）表明其具有良好的室内光吸收能力。
室内钙钛矿太阳能电池未来发展趋势[18]包括：①效率提升，开发新型高效稳定的钙钛矿材料；优化器件结构；开发高效稳定的制备技术。②稳定性增强，通过界面工程，可以有效地抑制离子迁移、化学反应和缺陷形成，提高稳定性；开发高效的封装技术，防止水分和氧气渗透，提高其长期稳定性；开发能够适应室内环境温度、湿度和光照变化的材料，提高其在实际应用中的可靠性。③应用拓展，将室内钙钛矿电池集成到物联网设备中，例如无线传感器、智能家居设备和可穿戴设备等，为室内设备提供可靠的电源；应用于特殊环境，例如地下室、隧道等，为这些环境提供照明和供电；开发柔性器件，将其集成到可穿戴设备中，为可穿戴设备提供持久稳定的电源。④成本降低，寻找替代材料，例如无机钙钛矿；开发低成本的制备工艺；推动规模化生产，降低其生产成本。
5、柔性钙钛矿电池
钙钛矿电池为薄膜电池，根据基材和电极材料选择的不同，可制备成刚性、柔性和透明等不同模式，应用范围广泛。韩国釜山大学和美国加利福尼亚大学合作，采用了天然叶片这一新型柔性材料作为钙钛矿电池基底材料，采用了一种简单的方法在室温下通过精确调节钙钛矿组分（Csx(FA0.92MA0.08)1−xPb(I0.92Br0.08)3）并添加有机连接剂（癸烯胺，OAm），制备的柔性钙钛矿薄膜电池转化效率高达23.2%，为室温/低温处理的柔性钙钛矿电池最高效率[19]。
柔性钙钛矿太阳能电池未来发展趋势[20]包括：①性能提升，通过优化柔性基板和电极的透明度、表面纹理和抗反射结构，进一步提高光子收集效率；通过材料工程和单晶生长策略，制备具有更高载流子寿命和扩散长度的钙钛矿材料。②规模化生产，开发高效的大面积制备技术；开发新的互联设计，减少串联电阻，提升整体效率；优化材料选择、制备工艺和设备开发，使其更具市场竞争力。③稳定性提升，了解柔性钙钛矿电池在湿度、氧气、光照、机械应变和偏压等条件下的降解机制；开发可以有效隔离水分和氧气、防止重金属污染的封装技术。④应用拓展，制备超柔性钙钛矿电池；开发用于智能显示屏和窗户等应用的半透明柔性钙钛矿电池；将柔性钙钛矿电池与储能器件和电子器件集成，开发可穿戴功能电子系统。
二、钙钛矿电池领域布局建议
作为低成本、高光电转换效率的第三代太阳能电池的代表，关键挑战是进一步提升器件光电转换效率和稳定性，开发低毒性/无毒性、低成本替代组分，开发和优化大面积制备工艺、大尺寸成套装备等，在解决大面积、稳定性方面的问题后有望成为新一代光伏产业的主流技术，需要重点布局开展以下研究：
1、工作机理研究
深入认知钙钛矿太阳能电池光诱导电荷转移、载流子输运和复合等工作机制，对于指导下一步开发更高转换效率的钙钛矿太阳能电池至关重要，目前关于钙钛矿材料强吸光能力的微观机理、光生载流子产生机理、电子/空穴输运通道与机理、缺陷形成和作用机制等关键科学问题的探讨上尚存在争议，需要开发原子尺度缺陷的高分辨率可视化技术，开展界面工程研究以减少非辐射复合和钙钛矿降解，以及发展先进的计算方法和技术促进对工作机理的根本认识。
2、结构工程设计
微纳多级结构是进一步提升钙钛矿太阳能电池转换效率的基础，钙钛矿太阳能电池结构不断演进，从最初的介孔结构发展到平面型结构、再到以钙钛矿太阳能电池为子电池的叠层架构，需要研究如何有效设计钙钛矿/硅、钙钛矿/CIGS、钙钛矿/钙钛矿等叠层电池能带结构，开发理想、匹配的顶层光吸收层及底层光吸收层，优化陷光策略和添加剂工程等方法有效减少叠层电池的寄生吸收损耗、反射损耗、电阻损耗、漏电击穿等光学与电学损耗，突破单结电池的Shockley–Queisser效率极限，将电池光电转换效率提高到40%以上。
3、无毒低成本新材料开发
需要研究电池全生命周期中的毒性问题和低成本替代材料，包括开发替代有毒铅元素的吸光材料，绿色溶剂，替代Spiro-OMeTAD、PTAA的低成本电子/空穴传输材料等，主要聚焦在新型钙钛矿材料（包括锡基等非铅钙钛矿、全无机钙钛矿、混合钙钛矿）、空穴材料（小分子、无掺杂）等领域，从结晶调控、缺陷钝化、锡基钙钛矿降维、组分工程等方面改善其光电转换效率和稳定性。
4、大面积制造工艺
发展均匀和高质量大面积钙钛矿薄膜制备工艺是实现钙钛矿太阳能电池产业化的关键所在，目前实验室研究以及认证光电转换效率都是基于小面积器件（小于1 cm2），需要深入研究刮涂、狭缝涂布、提拉、喷涂、喷墨打印、热蒸镀、真空闪蒸辅助溶液、气相沉积、卷对卷等大面积制备工艺，并与企业合作在不牺牲高性能和可靠性的前提下，解决面积放大使得薄膜工艺改变和薄膜缺陷浓度增加的问题，加快大面积制备钙钛矿器件进程。
5、材料和器件长程物化稳定性
需要开展溶剂工程、表界面工程、组分工程、添加剂工程等钙钛矿活性层薄膜钝化技术，以改善钙钛矿材料本征稳定性抑制其分解，并发展其余功能层设计及器件封装技术，钙钛矿结构降维、无机钙钛矿、疏水层等全链条一体化设计，从而大幅提升钙钛矿太阳能电池在户外运行环境的长程稳定性。
注释与参考文献：
[1] 科学网. 新认证世界纪录！钙钛矿电池稳态效率26.7%. https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/7/525776.shtm
[2] Next Energy. Perovskite Solar Cell Developments, Whatʼs Next?. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949821X23000030
[3] Research. Graded Heterojunction Improves Wide-Bandgap Perovskite for Highly Efficient 4-Terminal Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0196
[4] IEEE Journal of Photovoltaics. Semitransparent Perovskite Solar Cell with Sputtered Front and Rear Electrodes for a Four-Terminal Tandem. https://ieeexplore.ieee.org/document/7400902
[5] 证券日报之声. 30.1%！隆基绿能创造商业化尺寸叠层电池效率世界纪录. https://mp.weixin.qq.com/s/VyKD0Yz2_G-HeQeQxLHu8A
[6] ACS Applied Energy Materials. Three-terminal Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Top and Interdigitated Rear Contacts. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.9b01800
[7] Joule. Energy Yield Advantages of Three-Terminal Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120304025
[8] ACS Energy Letters. Three-Terminal Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell Exceeding 29% Power Conversion Efficiency. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01347
[9] ACS Energy Letters. Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Insights and Outlooks. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c00172
[10]. Science. Perovskite-perovskite Tandem Photovoltaics with Optimized Band Gaps. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaf9717#:~:text=In%20a%20tandem%20configuration%2C%20a%20perovskite%20with%20a,band%20gaps%20that%20have%20not%20yet%20been%20realized.
[11] ZPVA光伏新材料大会. 世界纪录再突破！仁烁光能全钙钛矿叠层电池效率达30.1%. https://mp.weixin.qq.com/s/_SImg2sXuub1Y0ibAg0KAg
[12] Science China Materials. Present Status and Futureprospects for Monolithic All-Perovskite Tandem Solar Cells. https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-022-2231-9
[13] Advanced Functional Materials. Perovskite Photovoltaics for Dim-Light Applications. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201503448
[14] Energy & Environmental Science. One-Step Dual-Additive Passivated Wide-Bandgap Perovskites to Realize 44.72%-Efficient Indoor Photovoltaics. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04022d
[15] ACS Applied Materials & Interfaces. Methylammonium Iodide-Mediated Controlled Crystal Growth of CsPbI2Br Films for Efficient and Stable All-Inorganic Perovskite Solar Cells. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c11047
[16] Science Bulletin. CsPbBrI2 Perovskites with Low Energy Loss for High-Performance Indoor and Outdoor Photovoltaics. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320306137
[17] Advanced Functional Materials. Dopant-Free Polymer HTM-Based CsPbI2Br Solar Cells with Efficiency Over 17% in Sunlight and 34% in Indoor Light. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103614?af=R
[18] Materials Futures. The Issues on the Commercialization of Perovskite Solar Cells. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2752-5724/ad37cf#:~:text=However%2C%20towards%20commercialization%2C%20challenges%20of%20up-scaling%2C%20stability%20and,a%20low-cost%20and%20efficient%20source%20of%20renewable%20energy.
[19] Joule. Room-Temperature-Processed Perovskite Solar Cells Surpassing 24% Efficiency. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435124001867
[20] ACS Energy Letters. Flexible Perovskite Solar Cells: From Materials and Device Architectures to Applications. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02768
