综述：工程无机钙钛矿太阳能电池：克服效率与稳定性障碍，实现下一代光伏技术

《Advanced Powder Materials》：Engineering inorganic perovskite solar cells: Overcoming efficiency and stability barriers for next-generation photovoltaics

本综述系统探讨了无机钙钛矿太阳能电池（IPSC）在效率与稳定性方面的突破，重点阐述了CsPbX3材料的组分调控（如卤素合金化、阳离子取代）、界面工程（表面钝化、添加剂辅助成核）及可扩展制备工艺（溶液加工、气相沉积）。通过缺陷钝化和相稳定性优化，IPSCs展现出卓越的热稳定性与环境适应性，为下一代光伏技术商业化提供清晰路线图。

　　

2. Methodology and Fabrication Processes

无机钙钛矿太阳能电池（IPSC）的合成与制备工艺直接影响器件的效率、稳定性和可扩展性。溶液法、热注射法、配体辅助再沉淀法（LARP）、水热法和溶剂热法是主要合成方法。溶液法通过将金属卤化物（如PbI₂、SnI₂）溶解在DMF、DMSO或GBL等溶剂中，再通过旋涂、刮刀涂布或喷墨打印形成均匀薄膜。热退火（100–150°C）促进结晶和溶剂蒸发，获得高质量薄膜。热注射法适用于合成纳米线和量子点，通过将前体溶液快速注入高温反应介质，实现瞬时成核和可控生长。LARP是一种低温技术，通过将钙钛矿前体在极性溶剂中溶解后与反溶剂（如甲苯）快速混合，形成纳米晶体，配体（如油酸）起到稳定和尺寸控制作用。水热和溶剂热法在高压高温下生长高结晶度钙钛矿材料，但反应时间长和设备要求高限制其规模化应用。

薄膜沉积后，退火步骤促进结晶和去除残留溶剂。两步沉积技术先沉积金属卤化物膜，再通过有机或无机卤化物溶液转化为钙钛矿，更好地控制结晶和相纯度。电子和空穴传输层（ETL和HTL）的集成促进电荷提取并减少复合损失。常用ETL材料包括TiO₂、SnO₂、ZnO和PCBM，而HTL材料如spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS、PTAA和NiO_x被广泛使用。顶部电极（如金或银）通过热蒸发或溅射沉积，封装策略（如聚合物涂层和防潮层）保护钙钛矿层免受环境降解。

热空气辅助制造技术在环境条件下生产高质量IPSC，通过定向加热空气控制溶剂蒸发和结晶，产生具有优异结晶度、均匀性和最小缺陷的薄膜。梯度热退火采用逐步或连续升温的温度曲线，实现更受控的溶剂蒸发和成核，产生更大晶粒和更少缺陷。这些方法与可扩展涂层技术（如条涂和刮刀涂层）兼容，并已成功应用于室外和室内光伏应用。

3. Inorganic Perovskite Compositions

3.1. CsPbI₃ C-PSCs

CsPbI₃钙钛矿具有1.69–1.78 eV的带隙，是硅串联太阳能电池的有前途候选材料。通过掺杂Na⁺、La³⁺等碱金属阳离子，可以抑制相变和离子迁移，提高相稳定性。添加剂如PEAI和DMT-Cl钝化缺陷，减少非辐射复合。界面工程使用BMIMPF₆离子液体处理TiO₂ ETL，创建防潮界面屏障并钝化陷阱态。真空辅助滴铸技术减轻咖啡环效应，实现均匀CsPbI₃薄膜。碳支撑的CsPbI₃ PSCs在无HTL情况下实现16.33%的PCE，为无机C-PSC设定了基准。

3.2. CsPbI₂Br PSCs

CsPbI₂Br在效率和稳定性之间提供平衡，带隙约为1.9 eV。溶剂/反溶剂工程使用乙酸乙酯（EA）作为环保反溶剂，改善薄膜形态和结晶度。添加剂工程引入茶多酚（TP）作为抗氧化剂，抑制Sn²⁺氧化。界面改性使用TBAI钝化缺陷，延长载流子寿命。成分工程通过过量CsI掺入，实现平滑共结晶和均匀纳米级共混。掺杂La³⁺离子改善相稳定性，实现8.03%的PCE和400小时环境暴露后90%的保留率。

3.3. CsPbIBr₂ PSCs

CsPbIBr₂具有更高的溴含量，带隙约为2.05 eV，热稳定性更好。合成混合Pb/Sn卤化物无机钙钛矿CsPb_0.9Sn_0.1IBr₂，在环境条件下无需惰性环境，实现11.33%的PCE。光处理技术在热退火前模拟AM 1.5G照明，改善CsPbIBr₂前体薄膜，实现大晶粒和高结晶度。界面工程在CsPbIBr₂/碳界面引入CuInS₂/ZnS QDs，增强电荷分离，实现8.42%的PCE。

3.4. CsPbBr₃ PSCs

CsPbBr₃是最热稳定和结构稳定的，带隙约为2.3 eV，具有优异的湿度抵抗性。面朝下沉积方法最小化分解，生产高质量薄膜。成分工程掺杂碱金属阳离子（Cs_1-xR_xPbBr₃，R = Li、Na、K、Rb），优化晶体参数和能量状态。界面工程在TiO₂/CsPbBr₃和CsPbBr₃/碳结引入CQDs和PQDs，引入中间能级，减少界面复合。电极工程使用多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳黑（CB）组合，改善功函数和导电性，实现7.62%的PCE。

3.5. Comparative Analysis of All-Inorganic Perovskite Compositions

CsPbI₃具有理想带隙，但相稳定性差；CsPbI₂Br在效率和稳定性之间提供平衡；CsPbIBr₂热稳定性更好，但带隙较大限制光吸收；CsPbBr₃最稳定，但带隙宽限制光伏效率。CsPbI₂Br因其平衡性能、较少相变倾向和与低成本、无HTM架构的良好对齐，成为未来IPSC开发最有前途的组成。

4. Stability Challenges

PSC的稳定性受氧气、污染物和紫外线等环境因素影响。湿度尤其有害，触发水解导致结构分解。有效的防潮封装对于防止水侵入和延长操作寿命至关重要。温度波动引起结构变化和机械应变。长时间光照，尤其是在高照度下，可能降解PSC。解决这些稳定性问题对于PSC商业化至关重要。

5. Strategies for Improving Efficiency and Stability

表面钝化减少缺陷和抑制载流子复合。界面优化使用有机和无机半导体材料工程ETL/HTL与钙钛矿层之间的界面。掺杂改变钙钛矿晶格的电子特性，提高载流子迁移率和稳定性。合金化通过替换钙钛矿框架中的某些元素提高稳定性并定制光电特性。有效封装用不透水材料保护PSC免受水分和氧气引起的环境降解。柔性基底与有效封装结合，实现轻量化和适应性PSC。

6. Scalable Manufacturing Techniques

卷对卷（R2R）处理实现高通量生产和降低制造成本。刮刀涂层和缝模涂层是用于在基底上沉积钙钛矿薄膜的可扩展方法。优化的油墨配方增强薄膜均匀性、结晶度和缺陷钝化。工业规模稳定性测试包括热循环、湿度抵抗和长时间光照，以评估降解机制。封装技术如阻挡层和疏水涂层有助于提高寿命。

7. Emerging Architectures and Hybrid Technologies

串联太阳能电池将钙钛矿与硅或其他钙钛矿结合，以提高效率 beyond 单结电池的Shockley-Queisser极限。量子点（QDs）和二维（2D）钙钛矿提供增强光吸收和电荷传输的途径。柔性和透明钙钛矿太阳能细胞开辟可穿戴电子、智能窗户和弯曲表面的新应用。先进的光管理策略，如光子晶体和等离子体纳米结构，可以显著提高钙钛矿太阳能电池的性能。

8. Challenges for Commercialization

稳定性、铅毒性、可扩展性和再现性是PSC商业化的主要挑战。缺乏标准化测试协议使建立PSC可靠性和获得市场接受度的努力复杂化。钙钛矿材料的环境影响和处置问题需要以可持续性为重点的解决方案。研究人员、行业领袖和监管机构之间的合作对于解决财务和监管不确定性至关重要。

9. Challenges and Future Directions

提高PCE、解决电流-电压特性中的滞后现象以及改善长期稳定性是关键问题。管理V_oc损失对于最大化功率输出至关重要。未来研究将专注于创新材料，包括无铅钙钛矿以减少毒性和替代组成以提高稳定性。推进制造技术，如喷涂、喷墨打印和R2R处理，对于可扩展和成本效益高的生产至关重要。串联太阳能电池提供了一条有前途的路线，通过利用更广泛的太阳能光谱来超越单结效率极限。

10. Conclusion

无机钙钛矿太阳能电池（IPSC）在光伏领域具有变革性潜力，提供高效率且成本效益优于传统太阳能技术。然而，商业化道路充满挑战。效率限制和稳定性问题是主要障碍。通过缺陷钝化、界面工程和先进制造技术的持续进步，IPSC有望成为可行、清洁和可持续的能源解决方案。未来研究将专注于整合缺陷工程、离子迁移控制和界面设计到一个连贯框架中，系统地映射空位行为、晶格应变响应和界面相互作用，推导出稳健钙钛矿设备的预测设计规则。