李剛&黃勁松&白楊Nat. Photonics：可規(guī)?；?、高效穩(wěn)定的Perovskite/Silicon TSCs

發(fā)表時間：2025-08-18 11:14

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主要內容

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池（Tandem Solar Cells, TSCs）作為**發(fā)展?jié)摿Φ墓夥芰渴占夹g，其性能已然成功突破傳統(tǒng)單結太陽能電池的極限。由香港理工大學Prof. LI Gang、Prof. YANG Guang，北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授以及中科院深圳**院白楊研究員共同組建的科研團隊，始終密切關注著該領域的發(fā)展動態(tài)。

該團隊留意到，盡管近期鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的光電轉換效率已逼近35%，但與理論上限相比，實際效率仍存在較大差距。而且，若要推動該技術實現(xiàn)商業(yè)化應用，還需攻克長期運行穩(wěn)定性和規(guī)模化生產方面的一系列科學與技術難題。

基于此，團隊撰寫了本篇綜述，著重概述了鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的**研究進展，尤其聚焦于效率、穩(wěn)定性和規(guī)?；a這三個關鍵領域。最后，團隊還對該技術進一步發(fā)展所面臨的剩余挑戰(zhàn)以及未來前景進行了批判性評述。

**進展與關鍵要點

團隊指出，鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池（TSCs）已取得顯著進展，認證效率超過34%，充分彰顯了下一代鈣鈦礦基疊層光伏技術的巨大潛力。雖然實驗室器件的效率有所提升，但仍需著力提升其可靠性，并降低電池到組件的功率損耗。尤其要關注與工業(yè)標準相匹配的材料及工藝的可制造性。

本綜述還系統(tǒng)概述了近期雙端（2T）鈣鈦礦/硅疊層電池的研究進展，重點圍繞效率、可擴展性和穩(wěn)定性展開。團隊深入探討了通過減少光學損耗和電學損耗來進一步提升效率的相關因素。此外，綜述還著重討論了鈣鈦礦/硅疊層電池大規(guī)模制造的現(xiàn)狀，強調了與當前工業(yè)硅生產線相匹配的鈣鈦礦頂層沉積技術的重要性。

穩(wěn)定性面臨的挑戰(zhàn)與應對策略

盡管初步的戶外測試已取得一定成果，但鈣鈦礦/硅疊層電池的穩(wěn)定性仍面臨諸多重大挑戰(zhàn)。在實際應用中，反向偏壓穩(wěn)定性**得到有效管理，因為光譜變化和溫度波動都可能引發(fā)問題。消除寬帶隙（WBG）鈣鈦礦中的相分離現(xiàn)象對于鈣鈦礦/硅疊層電池的商業(yè)化至關重要。因此，團隊認為開發(fā)純碘化物基寬帶隙鈣鈦礦，如CsPbI?或富銫的CsFAPbI?，可能是一種**前景的策略，因為這樣能更有效地控制陽離子遷移和相分離。此外，采用窄帶隙鈣鈦礦頂電池的雙面疊層設計也有助于緩解相分離問題。團隊還建議按照國際電工委員會（IEC）標準進行嚴格的加速穩(wěn)定性測試，以提高對鈣鈦礦/硅疊層電池實際壽命預測的準確性。

商業(yè)化進程中的關鍵挑戰(zhàn)

盡管鈣鈦礦/硅疊層電池在效率和可擴展性方面取得了顯著進展，但在邁向商業(yè)化進程中仍面臨多個關鍵領域的重大挑戰(zhàn)。

材料穩(wěn)定性難題：鈣鈦礦材料在環(huán)境應力（如水分、氧氣、紫外線和溫度波動）作用下存在內在不穩(wěn)定性，這仍是阻礙其商業(yè)化進程的主要障礙。雖然封裝技術、材料和器件工程在一定程度上緩解了這些問題，但要實現(xiàn)與硅光伏電池相當的約25 - 30年的運行穩(wěn)定性，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。特別是鈣鈦礦/硅和鈣鈦礦/電荷傳輸層（CTL）界面的降解機制，需要更深入的理解和有效的控制。

這種材料集成還帶來了熱膨脹系數差異和界面復合損耗等挑戰(zhàn)，進一步限制了器件的穩(wěn)定性和效率。針對這些問題，團隊提出的策略包括利用功能性自組裝單分子層（SAMs）作為空穴傳輸層（HTLs），如聚合SAMs或具有增強錨定基團的SAMs，以及采用非富勒烯受體作為電子傳輸層（ETLs）來開發(fā)穩(wěn)健的CTLs。此外，設計具有高pKa值的多功能鈍化劑可確保有效的缺陷鈍化，從而提高穩(wěn)定性。

規(guī)?；圃炖Ь常簩嶒炇乙?guī)模的效率轉化為商業(yè)規(guī)模組件，需要克服均勻性、缺陷控制和大面積制造方面的難題。溶液處理、氣相沉積或其混合技術等**進行優(yōu)化，以提高生產率和成本效益，同時不犧牲器件性能。

環(huán)境與資源問題：盡管鈣鈦礦原材料相對便宜，但稀有元素的可用性和鉛毒性問題引發(fā)了環(huán)境和監(jiān)管方面的擔憂。團隊強調，尋找這些材料的可持續(xù)替代品，以及制定高效的回收或鉛封存策略，對于商業(yè)化至關重要。此外，對能量回收時間、碳足跡和資源利用進行透明評估，對于證明其生態(tài)效益也必不可少。

應對策略與未來展望

為應對這些挑戰(zhàn)，該聯(lián)合團隊認為鈣鈦礦/硅疊層電池研究應采用多學科方法，融合材料科學、器件工程和經濟建模。該領域前所未有的發(fā)展速度表明，高效、經濟、可持續(xù)的疊層光伏電池的未來已近在咫尺，預示著可再生能源解決方案的新時代即將來臨。此外，三端（3T）、四端（4T）以及雙面設計可為克服熱和光學失配提供有效途徑。

總體而言，鈣鈦礦/硅疊層設計是最具前景的新興光伏技術之一，具有進入光伏市場的巨大潛力。然而，在現(xiàn)階段，學術界和產業(yè)界需加大投入，攜手共同解決開發(fā)高效、可靠且平準化度電成本降低的鈣鈦礦/硅疊層電池所剩余的科學挑戰(zhàn)和技術障礙。

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