鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）具備出色的光電性能、較低的制造成本，還能做成輕量柔性結(jié)構(gòu)，這些特點(diǎn)使其在可再生能源領(lǐng)域持續(xù)受到關(guān)注。目前其PCE已與晶硅電池相當(dāng)，但從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，仍有三道坎沒過：戶外長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、高性能大面積組件的可擴(kuò)展制造，以及材料的環(huán)境可持續(xù)性。過去兩年里，認(rèn)證效率記錄頻繁更新。反型PSC在2024年首次超過了正型結(jié)構(gòu)的認(rèn)證效率；鈣鈦礦/硅疊層器件穩(wěn)態(tài)PCE達(dá)33.89%，突破了單結(jié)S-Q極限，最新認(rèn)證已超34%；715.1 cm2面積的PSM認(rèn)證PCE達(dá)22.46%，組件與小面積器件之間的效率差距也在縮小。美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過無接觸式測(cè)試，監(jiān)測(cè)各個(gè)工藝段中的異常，了解單節(jié)疊層鈣鈦礦電池的缺陷分布信息。

本綜述梳理了2024–2025年PSCs在單結(jié)效率（超27%）、硅/鈣鈦礦疊層效率（超34%）、界面工程、穩(wěn)定性和大面積制造方面的進(jìn)展，分析了小面積器件與組件之間存在的效率差距，并從提高光電流和材料可持續(xù)性兩個(gè)角度展望了未來方向。

單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池

Millennial Solar

目前小面積和厘米級(jí)單結(jié)PSCs認(rèn)證PCE分別超過27%和25%，PSM的PCE也接近23%。這些進(jìn)展背后，界面工程、電荷傳輸層設(shè)計(jì)和鈣鈦礦結(jié)晶調(diào)控是主要推動(dòng)力。AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的介入也開始產(chǎn)生實(shí)際作用。柔性PSCs認(rèn)證PCE接近25%，比功率高達(dá)44.1 W/g，在無人機(jī)等場(chǎng)景中有具體應(yīng)用前景。

（a）Me-4PACz、BA、NA和TA的化學(xué)結(jié)構(gòu)（b）沉積在不同SAMs上的鈣鈦礦薄膜的掃描電子顯微鏡圖像（c）沉積在不同SAMs上的鈣鈦礦薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。（d）c-SAM和a-SAM上鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度圖（e）c-SAM和a-SAM上鈣鈦礦薄膜的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂直方圖

（a）BZS、4CH3-BZS和4Cl-BZS配體的示意圖和靜電勢(shì)（b）配體以平面或平行取向（Conf-para）吸附在鈣鈦礦表面上的原子結(jié)構(gòu)（c-d）不同面積冠軍器件的J-V曲線： 0.05 cm2和1.04 cm2（e）近年來已發(fā)表的nip和pin型鈣鈦礦電池性能總結(jié)

界面工程：自組裝單分子層在透明導(dǎo)電氧化物表面的均勻覆蓋是實(shí)現(xiàn)高效器件的關(guān)鍵。通過原子層沉積ITO、三齒錨定分子、共價(jià)鍵雙層、快速羥基化等策略，顯著提升界面結(jié)合強(qiáng)度，器件在85°C/85% RH濕熱測(cè)試1000小時(shí)后效率保持98.9%。埋底界面通過引入羧酸功能化分子改善潤(rùn)濕性，小面積器件效率達(dá)26.69%，11.1 cm2組件認(rèn)證效率22.74%。頂部鈍化采用平行取向配體使反式電池認(rèn)證效率首次超過正式結(jié)構(gòu)（26.15%）。二維/三維異質(zhì)結(jié)方面，類鈣鈦礦材料及雙面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)使平方厘米級(jí)器件效率達(dá)24.6%，開路電壓與填充因子乘積達(dá)S-Q極限的91%。

（a）原子力顯微鏡圖像（b-c）X射線衍射圖譜（d）mPy和pPy分子的器件架構(gòu)及理想空間構(gòu)型（e）mPy和pPy分子在ITO表面鍵合的平衡分子表示頂視圖和側(cè)視圖

（a）全濕法加工制備p-MPSCs的工藝流程示意圖及印刷三層介觀結(jié)構(gòu)中的電荷分離過程（b）器件在65°C溫度下的運(yùn)行穩(wěn)定性

電荷傳輸層設(shè)計(jì)：開發(fā)無雜原子芘核分子、軸對(duì)稱分子等新型自組裝單分子層材料，器件效率超26%，3000小時(shí)光照后保持94%初始效率。機(jī)器學(xué)習(xí)輔助發(fā)現(xiàn)新型空穴傳輸（HTL）分子，效率26.2%（認(rèn)證25.9%）?？捎∷⒔橛^結(jié)構(gòu)效率達(dá)22.2%，MoS?電子傳輸層（ETL）器件效率25.7%（認(rèn)證25.4%），連續(xù)光照2000小時(shí)穩(wěn)定。

(a)具有原位形成的覆蓋層的中間薄膜的示意圖及功能描述(b)時(shí)間分辨掠入射廣角X射線散射譜。(c)GIWAXS圖譜(e)不同厚度FA基鈣鈦礦吸收層的紫外-可見吸收光譜

鈣鈦礦結(jié)晶調(diào)控：針對(duì)α-FAPbI?相穩(wěn)定性，通過“按需生成”路易斯堿、共晶分子配體、二維模板等策略實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定。引入原位保護(hù)層使器件在80%相對(duì)濕度下制備，效率23.4%。采用醋酸鹽中間相輔助結(jié)晶，無甲基氯化銨器件認(rèn)證效率25.94%。反式結(jié)構(gòu)通過高米勒指數(shù)晶粒生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)厚膜，效率26.1%，短路電流密度26.3 mA / cm2。錫基無鉛電池通過反式富勒吡咯烷添加劑及Cs?輔助二維/三維同步成核，效率達(dá)17.13%（認(rèn)證16.65%）。

（a）NREL對(duì)迷你組件的穩(wěn)定光伏性能認(rèn)證（b）不同彎曲循環(huán)次數(shù)下的歸一化效率（c）MBAI及相應(yīng)器件結(jié)構(gòu)的示意圖（d）組裝的太陽能四旋翼飛行器照片

柔性器件：引入自修復(fù)彈性體，柔性器件效率24.51%（認(rèn)證24.04%），10000次彎曲后保持90%初始效率。采用硫酸亞錫生長(zhǎng)SnO?，效率25.09%（認(rèn)證24.90%），為當(dāng)前最高紀(jì)錄。超薄襯底器件功率重量比44 W/g，并展示了24塊互聯(lián)太陽能電池驅(qū)動(dòng)的太陽能四旋翼無人機(jī)，光伏系統(tǒng)重量?jī)H為無人機(jī)總重的1/400。

鈣鈦礦基疊層太陽能電池

Millennial Solar

鈣鈦礦材料帶隙可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這使其很適合與其他太陽能電池組合構(gòu)建疊層結(jié)構(gòu)，從而捕獲更寬的太陽光譜。目前鈣鈦礦/硅疊層認(rèn)證PCE已超34%，突破了單結(jié)光伏電池的S-Q極限。

鈣鈦礦/硅疊層相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

鈣鈦礦/硅疊層：通過核工程調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦優(yōu)先成核，25 cm2疊層效率29.4%（認(rèn)證28.8%）。乙二胺二氫碘化物/氟化鋰雙層鈍化使器件認(rèn)證穩(wěn)定效率33.89%，首次超S-Q極限。非對(duì)稱自組裝單分子層實(shí)現(xiàn)34.58%認(rèn)證效率，開路電壓近2 V。

鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層：構(gòu)建定制二維層改善寬帶隙子電池均勻性，1.05 cm2器件效率28.5%（認(rèn)證28.2%），近期通過(100)擇優(yōu)取向達(dá)29.1%。綠色溶劑體系實(shí)現(xiàn)刮涂寬帶隙電池，20.25 cm2組件效率23.8%。通過調(diào)控DMSO含量平衡錫鉛結(jié)晶，引入氨基酸鹽、吸電子配體等策略，全鈣鈦礦疊層組件穩(wěn)態(tài)效率24.5%。

鈣鈦礦/有機(jī)疊層相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

鈣鈦礦/有機(jī)疊層：氧化還原介體抑制鹵素遷移，器件效率25.22%（認(rèn)證24.27%），T90 > 500小時(shí)。擬鹵素SCN?摻雜抑制相分離，認(rèn)證效率25.06%。特定異構(gòu)體鈍化劑將開路電壓提升至1.36 V，疊層效率26.4%（認(rèn)證25.7%），為同類器件最高。

商業(yè)化前景

Millennial Solar

通過锍基分子處理、石墨烯-聚合物界面增強(qiáng)、混合自組裝單分子層、芳香族膦酸及苯基硒氯等策略，全面提升鈣鈦礦電池在戶外工況下的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性：锍基分子處理使未封裝器件在環(huán)境空氣中保持黑相兩年，4500小時(shí)最大功率點(diǎn)追蹤后效率損失<1%。石墨烯-聚合物界面將光致晶格膨脹變形率從0.31%降至0.08%，3670小時(shí)后保持97%初始效率。混合自組裝單分子層增強(qiáng)界面鍵合，熱循環(huán)500次后保持95%效率。芳香族膦酸抑制紫外誘導(dǎo)降解，組件戶外29周保持超16%效率。苯基硒氯調(diào)控晝夜循環(huán)晶格應(yīng)變，T80壽命延長(zhǎng)十倍。

通過雜質(zhì)原位轉(zhuǎn)化二維相、添加劑協(xié)同、水相合成公斤級(jí)高純晶體及層流空氣干燥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大面積組件效率突破與戶外能量產(chǎn)出超越硅組件

可擴(kuò)展制備：功能性陽離子將雜質(zhì)原位轉(zhuǎn)化為二維相，715.1 cm2組件認(rèn)證效率22.46%，填充因子81.21%。甲基氯化銨與離子液體協(xié)同使27.22 cm2組件認(rèn)證效率22.97%。水相合成獲得純度99.994%的FAPbI?晶體，實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)生產(chǎn)，成本降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。層流空氣干燥器實(shí)現(xiàn)0.7906 m2組件認(rèn)證效率15%，戶外一年能量產(chǎn)出比硅組件高29%，第一年降解率<2%，預(yù)計(jì)壽命9年。

當(dāng)前單結(jié)與疊層效率分別突破27%和34%，組件效率和穩(wěn)定性不斷刷新，已處于商業(yè)化門檻。未來需重點(diǎn)：提升光電流（開發(fā)低吸收高導(dǎo)傳輸層、微納光子結(jié)構(gòu)減反，將短路電流密度從26 mA/cm2提升至27.3–28.7 mA/cm2的理論極限）；縮小面積放大效率差距（發(fā)展保持高質(zhì)量的大面積沉積技術(shù)、致密均勻鈍化層）；完善回收體系（水相回收率99.0%，分層回收可回收質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.97%，成本降低60%以上）；借助人工智能加速材料篩選與工藝優(yōu)化。當(dāng)組件效率達(dá)20%、壽命7年（疊層31%、8年）時(shí)，平準(zhǔn)化度電成本可降至7.75美分/(kW·h)，具備與硅技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力。

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀

Millennial Solar

大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀通過非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋。

PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 顏色灰度：同時(shí)清晰呈現(xiàn)高亮區(qū)域（如無缺陷區(qū)）與低亮區(qū)域（如缺陷暗斑）

高速在線PL檢測(cè)缺陷：檢測(cè)速度≤2s，漏檢率；誤判率

AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

美能大平臺(tái)鈣鈦礦電池PL測(cè)試儀采用無接觸式測(cè)試方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈣鈦礦電池各工藝段中的薄膜質(zhì)量異常，精準(zhǔn)定位單結(jié)及疊層電池中的缺陷分布。

原文參考：Key Advancements andEmerging Trends of Perovskite Solar Cells in 2024–2025

*特別聲明：「美能光伏」公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。