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研究背景
由于低成本和高效率的優勢，鈣鈦礦（PVK）太陽能電池（PSC）發展迅速，每年都有許多關鍵發現被報道。對有關鍵進展的研究論文進行系統的年度綜述，對于研究人員了解PSC研究的最新進展以及指導未來的相關研究至關重要。本綜述全面總結了2023年PSC的最新進展，深入了解了PSC的當前研究趨勢，并為該領域的未來研究進行了展望。
關鍵詞：
鈣鈦礦太陽能電池，正式結構，反式結構，疊層，模組，穩定性，鉛毒性與綠色溶劑
將2023年PSC年度研究進展以正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、鈣鈦礦基疊層太陽能電池（TSC）、鈣鈦礦太陽能模組（PSM）、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑六個模塊進行分類，并對本綜述中涉及的關鍵進展的論文期刊和分類數量進行系統的統計（圖1和2）。
圖1 本綜述中使用的PSC相關論文期刊統計圖
圖2 本綜述中使用的2023年發表的六大分類相關論文統計圖
分類詳細介紹了正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑六大分類在2023年的研究進展（圖3）。
圖3 本綜述中六大分類的示意圖
對PSC未來的研究進行了分類的展望
內容導讀
01
正式n-i-p鈣鈦礦太陽能電池
正式n-i-p鈣鈦礦太陽能電池的效率在過去一年中不斷提高。圖4顯示了2023年正式PSC的代表性進展。這些研究主要集中在鈣鈦礦的晶體調控、電荷傳輸層的優化和界面性質的改善，從而進一步提高PSC的認證效率至25.8%，證明了n-i-p結構的強勁競爭力。本節從電子傳輸層和埋底界面、鈣鈦礦膜管理和表面改性的角度介紹了基于有機-無機、無機、和Sn基鈣鈦礦的正式n-i-p PSC的年度進展。
圖4 2023年正式n-i-p PSC的代表性進展
02
反式p-i-n鈣鈦礦太陽能電池
與正式PSC相比，反式p-i-n PSC（IPSCs）由于其優異的穩定性、可忽略的滯后性和低溫制造的優勢，使其更具商業化潛力。得益于研究人員的不懈努力，2023年IPSCs的最高認證效率達到了25.8%（圖5），這與正式PSC基本相當。在本節中，我們將分類介紹2023年IPSC的年度進展，包含有機-無機、無機、Sn基、2D、單晶等鈣鈦礦材料以及柔性器件。
圖5 2023年IPSC的代表性進展
03
鈣鈦礦基疊層太陽能電池
TSC包含一個以上具有不同帶隙的光吸收層。雙結TSC具有寬帶隙光吸收材料的頂部電池和窄帶隙光吸收材料的底部電池。頂部電池吸收短波長光，而底部電池吸收長波長光。這種配置減少了短波長光的能量損失，同時保持了寬的光采集范圍，從而實現了更高的PCE。TSC有兩種類型：兩端子（2T）和四端子（4T）（圖6(a)和(b)）。在本節中，討論了基于PVK的TSCs的主要進展，包括PVK/硅、PVK/PVK、PVK/有機和PVK/CIGS TSCs。PVK易于調節的帶隙使其成為TSC的理想選擇。圖6(c)顯示了2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的時間表。在新材料和制造方法進步的推動下，2023年，基于PVK的TSC的光電轉換效率（PCE）顯著提高。此外，總結了2023年不同類型TSC的代表性高效率研究結果，包括器件結構和光伏參數，如表1和表2所示。
圖6 (a) 兩端子和 (b) 四端子TSC的結構示意圖；(c) 2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的時間表
表1 2023年PVK基TSC的器件結構和光伏性能總結
表2 2023年四端PVK基TSC的光伏性能總結
04
鈣鈦礦太陽能電池模組
PSC的快速發展使其成為最有前景的新興光伏技術。在實驗室規模的小面積PSC中，它們在效率和穩定性方面取得了顯著進展。然而，PSC必須升級到模塊規模，才能成功地向商業化過渡。在過去的研究中，研究人員已經提出了幾種可擴展的制造方法來制造PSM。在這一節，簡要總結了PSM可擴展制造在2023年的進展，包含刮刀涂覆（圖7）、縫模涂布（圖8）、噴涂法（圖9(a-c)）、噴墨打印法（圖9(d-f)）、絲網印刷法（圖9(g-h)）和氣相沉積（圖10）。
圖7 2023年刮刀涂覆法制備PSM代表性研究
圖8 2023年縫模涂布法制備PSM代表性研究
圖9 2023年 (a-c) 噴涂法、(d-f) 噴墨打印法、(g-h) 絲網印刷法制備PSM代表性研究
圖10 2023年氣相沉積制備PSM代表性研究
05
器件穩定性
由于其固有的化學性質和器件結構，PSC在濕度、溫度和光照等環境壓力下不穩定。這些不穩定性阻礙了鈣鈦礦光伏的商業化。與晶體硅光伏器件和電池板類似，鈣鈦礦太陽能電池板在進入能源市場之前必須滿足IEC61215:2016認證測試的穩定性標準，即在85℃和85%相對濕度下同時連續運行1000小時。為了加速PSC的商業化，已經采用了多種方法來提高器件穩定性：鈣鈦礦成分優化、表面和界面鈍化、載流子傳輸材料的分子設計、電極修飾、合理封裝等方法。在本結中，介紹了2023年在濕度（圖11）、熱（圖12）和光照浸泡（圖13），和工作條件下（圖14）提高器件穩定性的研究進展。同時，考慮到未來在空間和柔性電子器件中的應用，還簡要描述器件對輻射和機械應力的穩定性。表3總結了2023年報道的穩定性研究進展，包含鈣鈦礦成分、器件結構、效率、穩定性測試條件、穩定性數據和穩定性提升的策略。此外，還提出了統一穩定性評估方法的期望（圖15）。
圖11 2023年PSC濕度穩定性代表性研究
圖12 2023年PSC熱穩定性代表性研究
圖13 2023年PSC光照穩定性代表性研究
圖14 2023年PSC工作條件下穩定性代表性研究
圖15 鈣鈦礦材料降解示意圖以及鈣鈦礦材料和器件性能的ISOS協議概述
表3 2023年器件穩定性研究進展表
06
鉛毒性和綠色溶劑
在過去十年中，PSC的PCE和穩定性有了顯著提高。然而，最先進的高效PSC是使用有毒材料制造的，如吸收劑中的鉛和前體中的有害溶劑。為了防止環境問題并遵守環境法律法規，必須確保PSC在其整個生命周期中都是環保和無污染的。本節討論了2023年在降低鉛毒性（圖16）和使用綠色溶劑（圖17）生產PSC方面的主要進展。
圖16 2023年PSC中降低鉛毒性方面代表性研究
圖17 2023年使用綠色溶劑生產PSC的代表性研究
總結與未來展望
在本綜述中，2023年PSC的關鍵進展被全面總結為六類：正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑。在這里，我們根據2023年的研究進展對未來的研究進行了分類和展望。
（1）正式n-i-p PSC：首先，通過適當的晶體生長控制策略制備具有更寬吸收范圍的高質量FAPbI3 鈣鈦礦。其次，基于材料的結構特征，開發更適合鈍化FAPbI3的新型鈍化劑。第三，鑒于spiro-OMeTAD的吸濕性和高成本，有必要開發新型的空穴傳輸材料。
（2）反式p-i-n PSC：首先，與常規的n-i-p PSCs類似，通過適當的晶體生長控制策略制備高質量FAPbI3鈣鈦礦。其次，明年的另一個研究重點將是新型空穴傳輸材料的設計。例如，廣泛用于高效IPSCs的SAM分子的界面機制仍需進一步研究，包括界面載流子動力學、與鈣鈦礦的相互作用以及SAM堆疊模式。此外，新型表征技術的發展對研究埋底界面的性質和進一步設計新型SAM分子具有重要意義。第三，考慮到與常規n-i-p PSCs的不同性質，開發更適合IPSCs的鈣鈦礦表面鈍化劑對于進一步提高器件效率至關重要。
（3）TSC：目前，PVK基的TSC的PCE仍遠低于理論極限。開發低損耗互連層并提高子電池的性能將進一步提高基于PVK基的TSC的PCE。
（4）PSM：要實現PSM的商業化，必須解決幾個關鍵挑戰，包括可擴展制造技術的進步、有助于在大面積上沉積高質量薄膜的鈣鈦礦前體油墨的配方，以及環保且具有成本效益的制備方法。
（5）器件穩定性：首先，應設計本征穩定的鈣鈦礦材料以滿足商業要求，例如在不失去最佳帶隙的情況下在FAPbI3中進行陽離子摻雜。其次，開發可靠的封裝材料和技術對于保護PSC中敏感的鈣鈦礦和有機材料至關重要。第三，進一步統一不同應力條件下的穩定性評估方法，如ISOS-S（暗儲存）、ISOS-L（光浸泡）、ISOS-O（室外）、ISOS-T（熱循環）、ISOS-LT（光濕熱循環），特別是室外條件，對于加快其商業化進程至關重要。
（6）鉛毒性和綠色溶劑：未來的研究工作應側重于研究具有高前體溶解度和優異基底潤濕性的先進環保溶劑。此外，還需要進一步開發更全面的封裝方法，通過內部和外部保護措施的結合，提高對水分、化學物質和鉛的抵抗力，并增強解毒能力。
陳 煒
華中科技大學武漢光電國家研究中心教授，博士生導師。2017年入選國家第三批中組部萬人計劃青年拔尖人才，2018年獲得國家自然科學基金優秀青年科學基金資助。2015年獲得國際上首個大面積（1 cm2）鈣鈦礦太陽能電池認證效率記錄，寫進Martin Green編纂的權威效率記錄表。目前在鈣鈦礦太陽能電池領域已發表多篇重要論文，包括Science 2篇，Nature Energy 2篇，Science Advances 2篇，Nature Communications 2篇, Energy Environ. Sci. 2篇，Adv. Mater. 2篇，Adv. Energy Mater. 3篇，ACS Nano 1篇，Advanced Functional Materials 6篇等。陳煒教授截至目前的論文Google Scholar被引超過10000余次，H因子為55。
劉宗豪
華中科技大學武漢光電國家研究中心副教授，博士生導師。迄今，在國際專業類著名期刊發表SCI論文80余篇，其中以第一作者/通訊作者身份發表論文50余篇，包括Nature Energy 2篇、Science Advances 1篇, Nature Communications 2篇，Advanced Materials 2篇，Energy Environ. Sci. 3篇，Advanced Energy Materials 5篇，Advanced Functional Materials 7篇，ACS Nano 1篇，Nano Letters 1篇，Nano Energy 3篇等。目前，Google Scholar 引用7000余次，H指數41。
魯建峰
武漢理工大學研究員，博士生導師。華中科技大學學士、博士，澳大利亞莫納什大學博士后。長期從事半導體材料合成及其器件方面的研究，包括太陽能電池材料合成、半導體薄膜真空沉積和印刷、鈣鈦礦太陽能電池制備等。在Nature, Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等刊物上發表學術論文90余篇。
臺啟東
武漢大學工業科學研究院，研究員，博士生導師。其分別于2007、2012年在武漢大學獲得學士和博士學位。其長期從事鈣鈦礦太陽能電池研究，并圍繞鈣鈦礦光伏產業化應用面臨的“高效、穩定、無毒以及低成本制備”等關鍵議題開展創新工作。累計發表SCI論文80余篇，其中第一/通訊作者論文近50篇，包括 Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等多篇本領域權威期刊。論文總引用超過6200次，H-因子為36。超過20篇論文單篇引用>100次，其中4篇單篇引用>400次。代表性工作被本領域權威專家發表于Science、Nature Reviews Materials、Nature Photonics、Chemical Reviews等頂尖期刊的綜述多次正面評價。
張懿強
張懿強，鄭州大學化學學院，教授，博導。主要從事低維鈣鈦礦材料設計、結構分析、性能表征以及大面積印刷制造光電器件。目前已發表SCI論文100余篇，其中以第一作者或通訊作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem等期刊發表學術論文50余篇，近五年SCI引用3000余次。申請中國發明專利8項，獲授權專利5項。主持國家級、省部級科研項目8項，企業橫向2項。兼任國際期刊Materials Futures和Journal of Energy Chemistry青年編委，獲國家優秀自費留學生獎學金（駐美使館）。
左傳天
國家納米科學中心副研究員。2018年在中國科學院國家納米科學中心獲得博士學位，獲中國科學院院長獎，博士畢業后進入澳大利亞聯邦科學與工業研究組織從事博士后研究（澳大利亞ACAP項目資助），2020年8月加入國家納米科學中心擔任特別研究助理，2022年11月被聘為副研究員，主要研究方向是鈣鈦礦太陽電池，在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull.等期刊發表文章70余篇，總被引5000余次。承擔國家重點研發計劃（項目骨干）、國家自然科學基金等項目。獲北京市自然科學二等獎。擔任Materials Futures、Journal of Energy Chemistry、Nano-Micro Letters、DeCarbon、Journal of Semiconductors、EcoEnergy等期刊青年編委。
趙鵬君
研究員，博士生導師。入選國家引進海外高層次人才項目，2021年3月全職回國加入中國科學院新疆理化技術研究所。2015-2020年分別在韓國成均館大學和澳大利亞墨爾本大學Prof.Andrew Holmes（前澳大利亞科學院主席）Laboratory從事博士后研究。主要從事鈣鈦礦基光伏材料與器件、溫敏材料與器件研究。作為項目負責人主持國家自然科學基金、中國科學院裝備研制項目（青年人才類）、新疆重點研發項目、新疆自然科學基金重點項目、新疆天池英才領軍人才項目等，中國科學院西部交叉團隊核心成員、新疆天山創新團隊骨干成員。研究成果已發表學術論文80余篇，申請、授權國家發明專利10余項、申請美國發明專利一項。
姜 巖
北京理工大學教授，博士生導師，國家海外優青基金獲得者。主要從事新一代低成本高性能薄膜太陽能電池的研發，致力于理解鈣鈦礦基太陽能電池光學、電學損失及失效機制，此外致力于解決鈣鈦礦基太陽能電池市場化過程中面臨的技術挑戰。迄今在Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett.等材料、能源領域國際知名雜志上已發表論文60余篇，其中8篇被ESI評選為高引用論文(前1%)，1篇被ESI評選為熱點論文(前0.1%), 引用超過5000次。研究成果被Nature Energy、Science Daily、Scienmag、Nanowerk、phys.org等學術或科技媒體作為亮點工作專題評述，申請中國專利2項。主持歐盟Horizon 2020重點項目子課題、國家自然科學基金面上項目、廣東省科技廳重點項目子課題等，擔任工信部、國家自然科學基金委、廣東省科技廳、瑞士戰略聚焦領域-先進制造（SFA-AM）項目評審專家，擔任Mater. Futures雜志青年編委。
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上海恒奇儀器儀表有限公司
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