文章题目 ：Advancements in perovskites for solar cell commercialization: a review出版信息：Adv. Powder Mater. 4(2025)100275.第一作者：Tejas Dhanalaxmi Raju, Vignesh Murugadoss通信作者：Tae Geun Kim
钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率发展迅速，单结电池的效率超过26%，钙钛矿-硅串联电池的效率超过34%，使PSCs成为传统光伏技术的潜在替代品。然而，它们的商业化受到室外环境中稳定性挑战的限制。本综述批判性地考察了电池层面上影响PSC长期性能和可靠性的关键问题，重点关注钙钛矿吸收剂的本征相和外部应力因素引起的不稳定性。讨论了提高稳定性的策略，以及电荷传输层、电极和界面的最新进展，这些进展旨在减少环境退化，改善能级排列，以实现有效的电荷提取。强调了加速老化测试和建立标准化协议的重要性以准确预测装置寿命并识别失效机制，从而确保实际条件下的稳定性。此外，全面的技术经济分析评估了材料和战略创新的进步如何影响效率、耐用性和成本，这对PSC的商业化应用至关重要。本综述描述了将PSC技术从实验室规模的研究过渡到全球光伏行业内广泛商业化所需的基本步骤。钙钛矿太阳能电池（PSC）已成为光伏领域最有前景的技术之一，有望以较低的成本实现高的效率。自2009年甲基碘化铵铅首次被用作敏化太阳能电池的光吸收剂以来，PSC已经取得了实质性的进步，逐渐从一个新概念转变为可再生能源领域的潜在候选。图1展示了PSC的技术演变过程，包括早期钙钛矿的合成、改性以及目前接近商业的状态。混合卤化物钙钛矿、无机钙钛矿、三阳离子钙钛矿等材料和钝化技术、钙钛矿-硅叠层等技术的发展不断改进PSC性能，截至2024年10月，单结PSC的效率已超过26%，钙钛矿-硅叠层电池的效率已达到34%以上，使得PSC成为太阳能电池技术的有力竞争者。
尽管取得显著的技术进步，确保PSC的长期稳定性仍然是商业化的一个重大障碍。实验室缺乏标准化的测试协议，使PSC稳定性的评估变得复杂。改进测试协议，特别是那些结合实际环境模拟并强化报告标准的测试协议，对于提高PSC的稳定性和研究的一致性至关重要，建立一个由机器学习算法支持的综合数据库来预测失效机制也有助于提高PSC的耐久性。图2展示了PSC各个功能层的最新进展以及这些进展对于PSC稳定性的提升水平。SnO2基电子传输层、底部空穴传输层材料、顶部电子传输层材料的突破和稳定的钙钛矿结构在提高PSC稳定性和效率方面发挥了关键作用，双层界面钝化技术和封装技术等对于提高PSC的稳定性同样至关重要。
图2. （a）PSC功能层示意图及其相应材料，（b）达到创纪录效率的PSC的稳定性时间轴（1）PSC效率超过26%（单结电池）和34%（钙钛矿-硅串联电池），但钙钛矿相的不稳定性和外部光、热、水等因素降低了PSC的耐久性；（2）加速老化测试和封装技术提高了PSC的可靠性和使用寿命，材料回收利用确保了PSC的可持续发展；（3）技术经济分析评估了PSC商业化的成本、效率和可扩展性。本综述对PSC的商业化提供了全面而平衡的视角，重点关注从实验室规模的研究到工业生产的关键过渡。它研究了PSC在室外环境中由于各种因素而面临的衰退挑战，并评估了有效的缓解策略。讨论强调了加速老化测试和标准化协议在预测装置寿命和故障机制方面的重要作用，有利于确保实际条件下的长期稳定性和可靠性。除了涉及钙钛矿、碳纳米管和电极等材料的研究进展，以及添加剂、界面工程、封装和回收技术等技术创新外，本综述还独特地纳入了技术-经济视角。它批判性地分析了应急策略如何影响实现商业可行性的效率、可扩展性和成本等关键因素，并提出了PSC商业化的整体路线图。PSC的稳定性受到湿度、机械应力、光照、热和偏压等外部因素的影响，这些因素会影响单个电池层的稳定性，如电子传输层、空穴传输层、钙钛矿和电极，以及它们之间的界面，有效调节内在和外在因素对于推动太阳能电池向可靠、大规模的商业部署发展，确保太阳能市场的长期性能和竞争力至关重要。钙钛矿层内的固有缺陷，如空位和晶界，以及表面无序，会导致电荷载流子的非辐射复合损失。外部因素，包括水分、氧气、热应力、光照和偏压，会显著加速钙钛矿材料的降解，破坏其稳定性和性能。钙钛矿存在固有的相不稳定性，其结构稳定性和完整性受离子成分之间几何关系的影响。容差因子、八面体晶格、晶格动力学和杂化钙钛矿中有机阳离子的旋转自由度等在影响整体结构稳定性方面起重要作用。外部因素包括水分和氧气引起的钙钛矿化学降解、热应力诱导的钙钛矿化学分解和相变、光照引起的钙钛矿相分离和光解以及偏压导致的钙钛矿不可逆性能衰退，这些因素对电池的光学性能产生不利影响，严重阻碍了PSC的商业化进程。
图3. 原位表征揭示温度诱导的钙钛矿结构相变和演化
图5. 偏压导致的钙钛矿太阳能电池性能的不可逆衰减为了应对PSC的内在和外在稳定性挑战，已经开发了涉及复合、界面和添加剂工程的策略。这些进展旨在增强PSC对环境应力的抵抗力，减少缺陷形成，改善电荷载流子动力学，最终提高光电转换效率和PSC的耐久性。概述了增强稳定性、改变带隙并最终提高PSC效率的各种组分工程方法，包括对单价阳离子位点（A位点）的组分调控和对卤素位点（X位点）的组分调控。
添加剂工程将各种化学物质引入钙钛矿前体溶液中，通过配位键、氢键或离子相互作用与钙钛矿晶格相互作用，从而减轻晶界和表面的缺陷。添加剂类型包括有机分子、盐、2D/0D钙钛矿和离子液体等，通过解决缺陷、细化薄膜形态和增强环境友好性等提高了钙钛矿稳定性。
图7. 有机添加剂对钙钛矿结构稳定性的提升机制分析表面钝化策略通过减少缺陷部位的非辐射结合来提高PSC的效率和稳定性，其重点是稳定顶面和埋底界面。为了应对这些挑战，2D材料作为钙钛矿薄膜范德华外延生长的模板受到了广泛关注。此外，石墨烯具有优异的导电性和透明度，可以降低串联电阻，钝化缺陷，并作为防止环境退化的屏障。
4.2 电荷传输层、电极及其界面对PSC稳定性的影响电荷传输层和电极不仅对于确保有效的电荷提取和传输至关重要，而且和PSC的长期稳定性也息息相关。当暴露在环境压力下，这些接口可能会引入各种退化途径，影响整体设备性能。理想的空穴传输层可以促进空穴提取，与钙钛矿吸收剂表现出适当的能级排列，并在钙钛矿前体涂层中促进钙钛矿结晶，典型的空穴传输层包括PTAA和SAM等。典型地，SAM中的锚定基团易与金属氧化物基板牢固结合，从而提高后续钙钛矿层沉积的覆盖率和润湿性。通过优化锚定基团的空间排列和取向，SAM增强了能级排列，减少了空穴提取的能垒，并最大限度地减少了非辐射复合，这有助于延长载流子寿命。
PSC目前已广泛利用富勒烯及其衍生物作为主流的电子传输层，主要是因为其高电子迁移率和低温加工性。相比之下，TiO2、SnO2和ZnO等n型金属氧化物具有成本效益，也被广泛应用于PSC。为满足商业化需求，理想的电子传输层必须表现出低温加工性、高电子迁移率和与钙钛矿材料匹配良好的能级。
准费米能级分裂损耗受到PSC中金属接触功函数的影响。金属接触的功函数和钙钛矿能级之间的错位会阻碍电荷提取，从而增加非辐射复合。金和银等金属的功函数与钙钛矿能级相符，常用于空穴接触以增强电荷提取。然而，由于这些金属与卤化物的反应特性，它们容易在PSC中降解，导致化学性质不稳定。其他廉价替代还包括铝电极、铜电极、碳电极等。
PSC的商业化面临严峻的挑战，主要是在室外环境中实现稳定性。对于实际的商业应用，PSC的寿命需要超过20年。虽然PSC表现出高效率，但它们对水分、热量和紫外线的敏感性会随着时间的推移而衰退。目前，即使是最稳定的PSC，在连续照明下的寿命也只有1000小时。虽然加速老化测试可以帮助筛查稳定性问题，但由于PSC固有的复杂敏感性，建立可靠的加速因子仍然具有挑战性。实现长期稳定性对于PSC的商业可行性至关重要，主要问题之一是缺乏一致、标准化的测试协议，这使不同实验室的稳定性比较和可重复性变得复杂。为了弥合这一差距，研究者们开发了ISOS稳定性协议，为在各种应力条件下测试PSC提供了一个框架。这些测试包括保质期测试、室外暴露、光浸泡、热循环和光湿温度组合循环等，但仍存在局限性。利用表格归纳了PSC稳定性的最新进展。研究表明，钙钛矿复合材料的稳定性取得了重大突破，主要是由于PTAA和SAM等底部空穴传输层的增强，提供了对环境压力的抵抗力。尽管在实验室测试中观察到显著改善，但由于多种压力的复杂相互作用，PSC在室外条件下的寿命仍然是一个挑战。为此，研究人员开发了三元阳离子和二维钙钛矿以及异质结构，以减少缺陷并提高环境适应性，并通过封装保护PSC免受环境因素的影响。
最近的研究报道了具有双层界面钝化的钙钛矿-硅串联太阳能电池，Sn-Pb基钙钛矿-钙钛矿串联太阳能电池等，表现出超越硅光伏的性能和发展前景，有可能实现与大规模生产兼容的低成本串联阳能电池。然而，为了商业可行性，这些装置仍然需要提高效率和稳定性。为此，协同缺陷管理、加入稳定添加剂等策略被研究者们所采用。
全球PSC市场预计将大幅扩张，在过去的十年里，光伏技术在效率、可扩展性和商业应用方面取得了显著进展，许多全球公司率先扩大生产规模。截至2023年，一些公司的年产能已达到100兆瓦，并计划在2024年建成GW规模的生产线。关注钙钛矿-硅串联是众多主要制造商的一项关键战略，效率有望突破传统硅电池的极限，同时能够利用现有的生产基础设施。随着PSC的不断发展，提高商业化的稳定性仍然是主要关注点。与此同时，可持续性已成为另一个关键的考虑因素。PSC技术的突破为各种应用提供了经济高效的解决方案，长期稳定性和寿命对于成本效益和可持续性都至关重要。封装技术是这些努力的核心，在提高PSC的耐用性方面发挥着至关重要的作用。多层封装技术的最新进展不仅保护电池免受水分和氧气的侵害，而且增强了它们的热稳定性。这确保了设备能够承受长时间的户外暴露，而不会出现明显的性能下降。此外，减少PSC对环境的影响变得越来越重要。作为更可持续的PSC的一部分，防止铅泄漏和提高回收能力获得越来越多的关注。解决这些环境问题可以为钙钛矿技术的发展铺平道路，同时最大限度地减少其生态足迹。封装在提高PSC的稳定性和寿命方面起着至关重要的作用，它可以保护PSC免受环境压力的影响，防止铅等有毒物质泄漏。理想的封装材料应在可见光范围内具有高透光率，以保持能量转换效率。此外，它们必须提供有效的防潮和防氧屏障，具有较低的水蒸气透过率和氧气透过率，以防止环境退化。特定的化学惰性对于防止PSC层或其他功能层的退化也至关重要，机械耐久性是承受热循环等应力而不开裂或分层的前提。
图14. 封装结构示意图及其对太阳能电池稳定性的提升由于其高效率和低生产成本，PSC在太阳能领域很有前景。然而，它们的可持续性是一个值得关注的问题，特别是由于铅毒性、回收和再利用方面的问题。为此，需要特别注重防止铅中毒、铅泄露并推进PSC材料的回收和再利用。
PSC的商业化需要开发可大规模推广的制造技术，实现高性能器件的大面积生产。为得到均匀、无缺陷且光电性能优异的薄膜，需要精确控制结晶和成核动力学，进一步解决从小型电池到小型模块和大型模块器件上的薄膜均匀性、缺陷密度和稳定性等挑战。PSC是一种具有巨大潜力的突破性光伏技术，但它们的商业化取决于生产成本、可扩展性和设备寿命相关的关键挑战。标准化的方法和精确的成本假设对于进行可靠的经济评估至关重要。为了与现有产业竞争，在保持性能和可靠性的同时实现大幅降低成本势在必行。为了提高可靠性，未来的研究应侧重于降低制造成本、提高模块耐用性和采用一致的财务建模实践。
随着OxfordPV和Saule Technologies等公司推进生产规模化，PSC正处于光伏行业转型的风口浪尖。它们在效率和可承担性方面的快速进步突显出巨大潜力，尽管在室外条件下仍然存在稳定性和寿命方面的挑战。本综述概述了PSC从实验室研究到工业部署的关键过渡，强调了解决功能层（包括钙钛矿吸收剂、电荷传输层、电极和界面）不稳定性的必要性。除了成分和界面工程等方面，还探索了导致PSC退化的内在和外在应力因素，以提高效率和稳定性。回顾了电荷传输层、电极和封装技术的最新进展，重点是减少环境退化和优化能级排列，以实现高效的电荷提取。加速老化测试和标准化协议，结合基于机器学习的预测模型，被认为是延长PSC寿命和确保商业可行性的重要工具。技术-经济分析表明，PSCs的成本竞争力逐渐接近硅基技术，串联结构提供了额外的效率提升。可扩展的制造方法，如R2R打印、刮刀涂层和喷墨打印，正在为大规模生产铺平道路，同时降低成本。然而，实现长期稳定性，特别是在室外环境中，仍然是实现广泛商业化的首要任务。PSC兼具了高效、低成本和可扩展的制造潜力，使其成为全球可再生能源需求的优先解决方案。通过持续创新来应对与稳定性、可扩展性和可持续性相关的挑战，PSC有望推动向可持续能源未来的过渡。
Tejas Dhanalaxmi Raju目前于高丽大学攻读电气工程博士学位，2018年获得了印度海德拉巴大学的理学硕士学位，至2020年，担任印度理工学院海德拉巴分校的高级研究员，研究重点是钙钛矿的合成和高性能光电器件的制造，包括发光二极管和太阳能电池。
Vignesh Murugadoss博士是印度CSIR中央玻璃和陶瓷研究所的科学家，于本地治里大学（一所中央大学）获得纳米科学与技术博士学位，并于高丽大学开展博士后研究。攻读博士学位期间获印度科学技术部（DST）颁发的印美巴斯卡拉高级太阳能实习奖，且于美国田纳西大学实习，获得学士和硕士学位金牌，研究工作集中在为可持续能源和环境应用设计和开发先进功能材料。Tae Geun Kim教授分别于1990、1993和1997年获高丽大学电子工程专业学士、硕士和博士学位，1997~2002年于美国加州大学圣地亚哥分校、日本电气技术实验室以及韩国三星先进技术研究院开展研究，目前是高丽大学电气工程学院教授，研究方向包括电/光半导体材料和器件及其在光学和电气器件中的应用，已发表400多篇论文，拥有150项国内外专利。
Tejas Dhanalaxmi Raju, Vignesh Murugadoss, Kiran A. Nirmal, Tukaram D. Dongale, Arul Varman Kesavan, Tae Geun Kim. Advancements in perovskites for solar cell commercialization: a review. Adv. Powder Mater. 4(2025)100275., https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100275.
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