综述：多样化的钙钛矿太阳能电池：进展、挑战与前景

本综述系统梳理了钙钛矿太阳能电池（PSC）的多维分类与研究进展，涵盖有机-无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿、无铅钙钛矿及无金属钙钛矿等类型，并探讨其晶体维度（3D与低维钙钛矿类）与结晶性（多晶薄膜与单晶）对光电器件性能的影响。文章重点分析了各类钙钛矿电池的最新突破（如效率达27%）与产业化挑战（如稳定性工程），为下一代光伏技术（photovoltaics, PV）的创新路径提供全局视角。

　　

Abstract

钙钛矿材料凭借其可调带隙、优异的光电特性与结构灵活性，彻底变革了光电子领域。当前钙钛矿太阳能电池（PSC）的最高效率已达27%，使其成为下一代光伏技术的有力候选者。尽管已有大量关于钙钛矿材料的综述，但多数聚焦于单一材料体系（如有机-无机杂化钙钛矿）或特定应用方向的优化（如太阳能电池的稳定性工程），缺乏对多类钙钛矿系统进展与挑战的整体性分析。本综述突破此局限，系统分类总结了用于太阳能电池的所有钙钛矿类别，包括按成分（有机-无机杂化钙钛矿、全无机钙钛矿、无铅钙钛矿、无金属钙钛矿）、维度（3D与低维钙钛矿类）及结晶性（多晶薄膜与单晶钙钛矿）的划分标准，并聚焦每类钙钛矿电池的最新进展与未来前景，旨在为钙钛矿太阳能电池的技术创新与产业化应用建立全面路线图。

多样化的钙钛矿分类体系

钙钛矿太阳能电池的核心材料体系可根据成分、维度和结晶性进行多维度分类。按成分划分，有机-无机杂化钙钛矿（如MAPbI₃）结合了有机阳离子的溶液加工性与无机框架的高载流子迁移率；全无机钙钛矿（如CsPbI₃）则通过消除有机组分提升热稳定性；无铅钙钛矿（如Sn、Ge基材料）致力于解决铅毒性问题；而无金属钙钛矿（如Cs₃Bi₂I₉）进一步拓展了环境友好型材料的选择。维度工程中，3D钙钛矿具备高吸光系数与电荷扩散长度，而低维钙钛矿（如2D Ruddlesden-Popper相）通过量子限域效应增强稳定性但牺牲部分效率。结晶性方面，多晶薄膜利于大面积制备但存在晶界缺陷，单晶钙钛矿则呈现极低的缺陷密度与高载流子寿命，为高效器件提供理想平台。

进展与性能突破

钙钛矿太阳能电池的效率提升得益于材料设计与界面工程的协同优化。有机-无机杂化钙钛矿通过组分工程（如混合阳离子FA⁺/MA⁺与卤素调控）实现带隙精准匹配，最高效率突破25%；全无机钙钛矿（如CsPbI₃）通过表面钝化与维度调控将效率提升至20%以上，同时解决相稳定性难题；无铅钙钛矿中，锡基钙钛矿（如MASnI₃）效率已超14%，但需克服Sn²⁺氧化问题；低维钙钛矿通过疏水有机间隔层抑制离子迁移，使器件在85°C/85%湿度下保持初始效率80%超过1000小时。单晶钙钛矿电池虽仍处于实验室阶段，其载流子扩散长度超过10 μm，为理论效率接近S-Q极限提供可能。

产业化挑战与解决策略

钙钛矿太阳能电池的产业化面临稳定性、大面积制备与铅泄漏三大核心挑战。稳定性方面，界面降解与离子迁移可通过低维钙钛矿、钝化层（如PCBM、TiO₂）及封装技术抑制；大面积制备中，狭缝涂布与气相沉积技术已实现30 cm×30 cm组件效率超过18%，但均匀性与缺陷控制仍需优化；铅泄漏问题通过封装材料（如自修复聚合物）与无铅材料替代双轨并行。此外，钙钛矿-硅叠层电池利用宽带隙钙钛矿顶电池与硅底电池的光谱互补，效率突破33%，成为产业化落地的重要方向。

未来展望

钙钛矿太阳能电池的未来发展需跨学科合作推动。材料层面，高通量计算与机器学习加速无铅高稳定性材料发现；器件层面，界面能级对齐与缺陷钝化策略需进一步精细化；制造层面，卷对卷印刷与真空沉积的混合工艺有望降低成本至$0.02/W以下。最终，钙钛矿技术或将超越光伏领域，拓展至LED、探测器与光催化等多类光电器件，构建“钙钛矿生态”技术网络。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。