《Nano-Micro Letters》：Key Advancements and Emerging Trends of Perovskite Solar Cells in 2024–2025
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本综述系统总结了2024-2025年间钙钛矿太阳能电池（PSCs）在效率、稳定性及规模化制备方面的突破性进展。重点探讨了界面工程、电荷传输层设计、钙钛矿结晶调控等核心策略如何协同提升单结及叠层器件性能（认证效率分别超27%和34%），并深入分析了面向商业化需解决的操作稳定性、大面积模块性能一致性等关键挑战。
单结钙钛矿太阳能电池
当前，小面积和平方厘米级单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已分别超过27%和25%。更令人鼓舞的是，钙钛矿太阳能组件的效率已达到约23%，进一步缩小了与小面积器件的效率差距。这些成就归功于研究人员在界面工程、电荷传输层设计和钙钛矿结晶等方面的不懈努力。此外，人工智能特别是机器学习在提升钙钛矿太阳能电池性能方面日益突出。柔性钙钛矿太阳能电池的认证效率已达到约25%，同时具有显著的高功率重量比，使其在无人机等领域具有应用潜力。
界面工程对于实现高性能钙钛矿太阳能电池至关重要。自组装单分子层通过锚定在透明导电氧化物表面的羟基上实现自组装。然而，除了牢固的化学吸附，羟基与透明导电氧化物之间的结合也涉及较弱的物理吸附，后者不稳定，易在强极性钙钛矿溶剂冲刷下解吸，导致部分透明导电氧化物表面未被自组装单分子层覆盖，产生漏电流。为了应对这一问题，研究人员通过原子层沉积在商用氧化铟锡基底上生长额外厚度的氧化铟锡层，其表面具有更高密度的共价键合羟基，为自组装单分子层提供了丰富的锚定位点。同时，合成具有三甲氧基硅烷基团的新分子，通过三齿相互作用与羟基结合，增强了空穴传输层与基底间的粘附力。
钙钛矿结晶
钙钛矿薄膜的结晶质量对于决定钙钛矿太阳能电池的光伏性能至关重要。具有大晶粒尺寸、低缺陷密度和均匀形貌的高质量钙钛矿薄膜有助于通过减少复合损失和延长载流子寿命来实现高效的电荷载流子传输。影响结晶的关键因素包括前驱体组成、溶剂挥发性、退火方案以及沉积过程中的环境条件。甲脒碘化铅因其窄带隙和优于甲基铵碘化铅的热稳定性而成为高效钙钛矿太阳能电池的领先候选者。然而，其在室温下的黑色相是亚稳态的，易转变为非光活性的黄色相，限制了实际应用。
路易斯碱对于形成黑色相甲脒碘化铅至关重要。然而，它们的作用存在一个悖论：强结合对于稳定中间相是必需的，而弱结合则有利于快速去除以促进相变和晶粒生长。为了解决这一难题，研究人员引入了“按需生成路易斯碱分子”的策略。该方法优化了黑色相甲脒碘化铅薄膜的织构，实现了A位阳离子的均匀分布、更大的晶粒尺寸以及界面缺陷数量的减少。
电荷传输层设计
为了确保高效的电荷传输，通常与含有氮、硫、氧等杂原子的共轭结构一起使用。然而，在外加偏压或光照条件下，此类结构由于极化化学键的存在而表现出不稳定性。为了建立坚固的界面接触，研究人员设计了具有芘共轭核心且无任何杂原子取代的分子结构。其周熔融多芳环结构具有化学惰性和构象刚性，即使暴露于热量和N,N-二甲基甲酰胺处理后仍具有结构稳定性。
柔性器件
柔性钙钛矿太阳能电池因其柔韧性和高功率重量比而备受关注。然而，柔性基底的界面粘附性差和显著变形导致钙钛矿结晶不良和界面接触差，阻碍了柔性钙钛矿太阳能电池的性能。研究人员将两性离子弹性体加入钙钛矿薄膜中，通过原位交联形成中间体加合物来调控钙钛矿的成核和结晶。位于晶界的交联弹性体在温和加工条件下赋予柔性钙钛矿薄膜即时自修复能力。
钙钛矿基叠层太阳能电池
由于钙钛矿材料具有多样的带隙选项，钙钛矿太阳能电池可以与其他类型的太阳能电池集成形成叠层太阳能电池。典型的组合包括钙钛矿/硅、钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/有机。在钙钛矿基叠层太阳能电池中，宽带隙钙钛矿用作顶电池，而窄带隙钙钛矿或其他材料用作底电池。与单结钙钛矿太阳能电池相比，叠层太阳能电池长期以来被认为是捕获更宽光谱太阳光和实现更高效率的有前途的途径。目前，钙钛矿/硅叠层太阳能电池的认证效率已超过34%，超过了单结光伏电池的肖克利-奎瑟极限。同时，在过去两年中，钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/有机叠层电池的性能也取得了显著进展。
在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中，用作顶电池的宽带隙钙钛矿易发生离子迁移和相分离，这削弱了叠层电池的长期稳定性。研究人员引入了一种简单的普适性策略，通过核工程控制宽带隙钙钛矿的结晶。该策略通过调控前驱体溶液中的主导核来优化宽带隙钙钛矿薄膜的织构。具体而言，通过在溴化物富集体和六方相形成之前使赝立方相成核，可以控制宽带隙薄膜的生长，使其对成分变化不敏感。
商业化前景
尽管实验室规模的钙钛矿太阳能电池已展现出显著的光电转换效率，可与传统的晶硅太阳能电池相媲美，但其向商业可行性的过渡在很大程度上取决于长期操作稳定性，尤其是在扩大面积时。任何稳定性的下降都会导致能量输出减少、维护成本增加，并最终缩短使用寿命，所有这些都对钙钛矿技术的经济可行性和市场接受度不利。过去两年，研究人员深入探究了钙钛矿太阳能电池的降解机制，特别关注缺陷和离子迁移等内在因素。通过采用针对性的调控策略，高性能钙钛矿太阳能电池证明了其能够承受严格的测试条件。
当器件面积放大时，缺陷分布变得更加不均匀，钙钛矿薄膜表现出更高的不均匀性。一个常见现象是效率和稳定性同时恶化。规模放大时的非均匀降解是一个具有多个根本原因的复杂问题。一个主要因素是大面积钙钛矿薄膜固有的不均匀性。在大面积器件制造过程中，沉积条件的轻微变化会导致薄膜质量不均匀。这些钙钛矿层中的局部变化可能引发不同的降解途径。另一个重要根源与界面特性相关。在大尺度器件中，钙钛矿层与相邻电荷传输层之间的界面可能不如小面积器件均匀。不理想的界面接触会导致某些区域电荷积累，从而加速降解过程。此外，大面积器件中的机械应力分布与小尺度器件不同。随着器件面积增大，运行期间或环境变化产生的热应力和机械应力更可能非均匀分布。
在商业化前夕，钙钛矿太阳能电池中使用的材料回收已成为关键焦点。回收最大限度地减少了材料浪费，并为报废钙钛矿太阳能电池的处理提供了可持续的解决方案，从而为环境保护做出了积极贡献。虽然传统硅基太阳能电池的回收工艺已经成熟，但钙钛矿太阳能电池的回收仍处于起步阶段。从经济角度讲，透明导电氧化物和金属电极的回收投资回报率最高。
人工智能，特别是机器学习的整合，在推进钙钛矿太阳能电池研究方面显示出巨大潜力。通过利用机器学习算法，人工智能可以快速处理和分析大量实验数据集，从而识别出能够最大化光电转换效率和器件稳定性的最佳材料组合和工艺条件。人工智能驱动的预测模型可以预测钙钛矿太阳能电池在不同环境因素下的性能，指导研究人员改进器件结构。
