综述：迈向高效振荡水柱（OWC）系统：聚焦涡轮优化、气流控制及腔室相互作用的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Toward high-efficiency oscillating water column (OWC) systems: A focused review on turbine optimization, airflow control, and chamber interactions

碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）通过优化电极材料、界面工程和 scalable 沉积技术，在提升效率与稳定性的同时实现低成本制造。研究聚焦于碳电极的掺杂、复合策略及界面工程，解决高电阻和载流子复合问题，并探索印刷与涂层技术实现大面积器件。铅吸附材料的应用进一步缓解环境污染。摘要结束分隔符

　　碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）作为一种新兴的光伏技术，近年来在实现低成本、高稳定性和可扩展性方面展现出巨大的潜力。随着全球能源需求的持续增长和对环境保护意识的提高，可再生能源技术如太阳能、风能和氢能受到了学术界和工业界的广泛关注。在这些技术中，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电性能和相对简单的制造工艺，成为推动未来能源结构变革的关键技术之一。自2009年Miyasaka及其团队首次将钙钛矿材料引入染料敏化太阳能电池并实现3.8%的功率转换效率（PCE）以来，PSCs的研究取得了飞速发展，实验室级别的器件已达到27.3%的PCE，接近传统硅基光伏器件的水平[[1]]。

典型的PSC结构由透明前电极、背电极和夹在二者之间的钙钛矿吸收层组成。为了提升电荷载流子的提取效率，通常会在钙钛矿吸收层与对应电极之间引入电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）。随着研究的深入和应用场景的多样化，背电极材料的研究也日益受到重视。目前，背电极材料主要分为三类：金属、金属氧化物和碳基材料。然而，由于沉积工艺和材料优化方面的限制，使用透明导电氧化物（TCOs）如氧化铟锡（ITO）或掺铝氧化锌（AZO）作为背电极的PSCs，以及采用氮化物或MXenes等替代材料的器件，往往表现出较低的效率和稳定性[[3], [4], [5]]。因此，金属和碳基材料仍然是目前最广泛使用的电极材料。

金属电极因其高导电性、优异的界面相容性和与常见空穴和电子传输材料的良好功函数匹配，成为实现高PCE的重要选择。例如，金属电极通常具有低于1 Ω/sq的面电阻，确保了高效的电荷传输。此外，通过热蒸发等工艺沉积的金属原子能够与电荷传输层形成纳米尺度的紧密接触，从而降低界面电阻。然而，贵金属电极仍然面临成本高昂和高能耗的真空沉积工艺等挑战，这使得制造成本居高不下。同时，卤化物离子的扩散可能会导致金属电极的腐蚀，形成金属碘化物并迁移至钙钛矿层，进而加速器件的降解[[7], [10]]。虽然可以通过引入界面缓冲层来缓解这一问题，但这种方法可能会增加器件的复杂性[[11], [12]]。因此，开发具有成本效益和化学稳定性的替代电极材料成为当前研究的重点。

碳基材料由于其出色的化学稳定性和丰富的自然资源，被广泛视为替代传统金属电极的可行选择。常见的碳电极材料包括石墨、碳黑、碳纳米管（CNTs）和石墨烯。这些材料具有多种可调的特性，如半透明性和柔韧性，使其在特殊器件如半透明和柔性PSCs中具有重要应用价值。例如，碳纳米管薄膜在保持超过90%的光学透射率的同时，展现出接近1 TPa的理论杨氏模量，这使其在柔性电子领域具有显著潜力[[13], [14]]。而石墨烯薄膜则可以根据层数调节其透明度，单层石墨烯的可见光透射率可超过97%，而在增加层数后则可实现完全不透明。此外，石墨烯还因其良好的可扩展性，如30英寸的单层样品，被广泛应用于透明或半透明电极材料[[15], [16]]。

尽管碳基材料在PSCs中表现出诸多优势，但它们也存在一些固有的局限性。首先，碳电极的面电阻通常较高，范围在6至180 Ω/sq之间，这限制了其在高效电荷收集和传输方面的应用[[17], [18], [19], [20]]。其次，碳材料的微孔结构和松散排列方式可能影响电荷传输效率，进而降低整体性能。此外，碳电极在某些结构中可能需要高温烧结，如三层多孔结构中的金属氧化物层，而其他结构如平面或单层多孔结构则通常采用低温工艺。值得注意的是，为了简化器件结构并提高长期运行稳定性，研究人员已经开始尝试在传统的n-i-p或p-i-n结构中省略一个或两个电荷传输层（CTLs）。例如，无空穴传输层（HTL-free）的三重多孔碳电极结构，不仅为钙钛矿的结晶和生长提供了充足的空间，还通过自然屏障有效抵御外部环境应力，从而显著提升了器件的耐用性。

尽管碳基材料在PSCs中的应用前景广阔，但目前其效率仍落后于金属电极器件。例如，最先进的碳浆基PSCs和复合碳基PSCs的PCE分别达到了23.2%和24.3%，但仍无法与金属电极器件相比。此外，随着金属电极PSCs在组成工程、添加剂工程和界面工程方面的不断优化，其稳定性优势逐渐被削弱，这使得碳基PSCs的稳定性问题更加突出[[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。因此，提升碳基PSCs的效率同时保持其稳定性优势，已成为当前研究的关键方向。

在碳基PSCs的研究中，材料设计、掺杂和复合策略被广泛用于改善电极性能。例如，通过掺杂不同的元素，可以有效调节碳电极的导电性和功函数，从而提升其与钙钛矿层的匹配度。此外，将碳材料与其他功能材料结合，如引入铅吸附材料，可以进一步优化电极的性能。铅吸附材料的使用不仅可以减少铅离子的迁移，还能有效缓解铅污染问题，特别是在大规模生产和废弃处理过程中。这使得碳基PSCs在环境友好性方面具有独特的优势。

在制备碳基PSCs的过程中，不同的电极沉积技术被广泛采用，以满足不同应用场景下的需求。例如，刮刀涂布、丝网印刷、机械层压、卷对卷加工、喷雾涂布和滴涂等方法，各具特点，适用于不同的实验配置和可扩展性要求。其中，丝网印刷技术因其操作简便和适合大规模生产，已成为全印刷PSCs制备的首选方法。然而，这些技术在实际应用中仍面临一些挑战，如如何在保持高效率的同时实现大面积模块的稳定性能，以及如何有效管理铅离子的扩散和迁移。

为了进一步推动碳基PSCs的商业化应用，研究者们正在探索多种策略。一方面，通过优化电极材料的组成和结构，提升其导电性和稳定性；另一方面，改进界面工程，确保电荷的有效提取和传输。此外，开发新型的铅吸附材料和优化封装技术，也是解决铅污染问题的重要手段。这些努力不仅有助于提高碳基PSCs的性能，还为实现环保、可持续的光伏技术提供了坚实的基础。

展望未来，碳基PSCs的研究方向将更加多元化。一方面，材料创新将继续推动电极性能的提升，包括开发新型碳材料、优化掺杂策略以及探索复合材料的协同效应。另一方面，制造工艺的改进将有助于实现大规模生产，降低成本并提高器件的一致性。此外，环境友好性将成为碳基PSCs研究的重要目标，特别是在铅污染和废弃处理方面，需要制定更加完善的解决方案。通过不断的技术突破和跨学科合作，碳基PSCs有望在未来的光伏市场中占据重要地位，成为实现绿色能源转型的关键技术之一。