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研究背景
由于低成本和高效率的優勢，鈣鈦礦（PVK）太陽能電池（PSC）發展迅速，每年都有許多關鍵發現被報道。對有關鍵進展的研究論文進行系統的年度綜述，對于研究人員了解PSC研究的最新進展以及指導未來的相關研究至關重要。本綜述全面總結了2023年PSC的最新進展，深入了解了PSC的當前研究趨勢，并為該領域的未來研究進行了展望。
關鍵詞：
鈣鈦礦太陽能電池，正式結構，反式結構，疊層，模組，穩定性，鉛毒性與綠色溶劑
將2023年PSC年度研究進展以正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、鈣鈦礦基疊層太陽能電池（TSC）、鈣鈦礦太陽能模組（PSM）、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑六(liu)個模塊(kuai)進(jin)行分類(lei)，并對本(ben)綜(zong)述中涉(she)及的關鍵(jian)進(jin)展的論文(wen)期刊和(he)分類(lei)數量進(jin)行系統(tong)(tong)的統(tong)(tong)計（圖1和(he)2）。
圖1 本綜述(shu)中使用(yong)的PSC相關論文期刊統計(ji)圖
圖2 本(ben)綜述中使(shi)用的(de)2023年發表(biao)的(de)六大分類相關(guan)論文統(tong)計圖
分類詳細介紹了正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑六大分類在2023年的研究進展（圖3）。
圖3 本(ben)綜述(shu)中六(liu)大分類的示(shi)意圖
對PSC未來的研究進行了分類的展望
內容導讀
01
正式n-i-p鈣鈦礦太陽能電池
正式n-i-p鈣鈦礦太陽能電池的效率在過去一年中不斷提高。圖4顯示了2023年正式PSC的代表性進展。這些研究主要集中在鈣鈦礦的晶體調控、電荷傳輸層的優化和界面性質的改善，從而進一步提高PSC的認證效率至25.8%，證明了n-i-p結構的強勁競爭力。本節從電子傳輸層和埋底界面、鈣鈦礦膜管理和表面改性的角度介紹了基于有機-無機、無機、和Sn基鈣鈦礦的正式n-i-p PSC的年度進展。
圖4 2023年正式n-i-p PSC的代表性進展
02
反式p-i-n鈣鈦礦太陽能電池
與正式PSC相比，反式p-i-n PSC（IPSCs）由于其優異的穩定性、可忽略的滯后性和低溫制造的優勢，使其更具商業化潛力。得益于研究人員的不懈努力，2023年IPSCs的最高認證效率達到了25.8%（圖5），這與正式PSC基本相當。在本節中，我們將分類介紹2023年IPSC的年度進展，包含有機-無機、無機、Sn基、2D、單晶等鈣鈦礦材料以及柔性器件。
圖5 2023年IPSC的代表性進展(zhan)
03
鈣鈦礦基疊層太陽能電池
TSC包含一個以上具有不同帶隙的光吸收層。雙結TSC具有寬帶隙光吸收材料的頂部電池和窄帶隙光吸收材料的底部電池。頂部電池吸收短波長光，而底部電池吸收長波長光。這種配置減少了短波長光的能量損失，同時保持了寬的光采集范圍，從而實現了更高的PCE。TSC有兩種類型：兩端子（2T）和四端子（4T）（圖6(a)和(b)）。在本節中，討論了基于PVK的TSCs的主要進展，包括PVK/硅、PVK/PVK、PVK/有機和PVK/CIGS TSCs。PVK易于調(diao)節的帶隙使其成為TSC的理想選擇(ze)。圖(tu)6(c)顯示(shi)(shi)了(le)2023年基于PVK的TSC里程碑(bei)式效(xiao)率的時間(jian)表。在新材料和(he)(he)制造方法(fa)進(jin)步的推(tui)動下(xia)，2023年，基于PVK的TSC的光電轉換效(xiao)率（PCE）顯著(zhu)提(ti)高(gao)(gao)。此外(wai)，總結(jie)了(le)2023年不(bu)同類型TSC的代(dai)表性高(gao)(gao)效(xiao)率研究結(jie)果(guo)，包(bao)括器件結(jie)構和(he)(he)光伏參(can)數，如表1和(he)(he)表2所示(shi)(shi)。
圖6 (a) 兩(liang)端子和(he) (b) 四(si)端子TSC的結(jie)構示意圖；(c) 2023年基于PVK的TSC里程碑式(shi)效率的時(shi)間(jian)表
表1 2023年PVK基TSC的器件結構和光伏性(xing)能(neng)總結
表2 2023年四端PVK基(ji)TSC的光伏性能總(zong)結
04
鈣鈦礦太陽能電池模組
PSC的快速發展使其成為最有前景的新興光伏技術。在實驗室規模的小面積PSC中，它們在效率和穩定性方面取得了顯著進展。然而，PSC必須升級到模塊規模，才能成功地向商業化過渡。在過去的研究中，研究人員已經提出了幾種可擴展的制造方法來制造PSM。在這一節，簡要總結了PSM可擴展制造在2023年的進展，包含刮刀涂覆（圖7）、縫模涂布（圖8）、噴涂法（圖9(a-c)）、噴墨打印法（圖9(d-f)）、絲網印刷法（圖9(g-h)）和氣相沉積（圖10）。
圖7 2023年(nian)刮刀涂覆(fu)法(fa)制備(bei)PSM代表性研究
圖8 2023年縫(feng)模(mo)涂布法制備PSM代表性研究
圖9 2023年 (a-c) 噴涂法、(d-f) 噴墨(mo)打印(yin)(yin)法、(g-h) 絲網印(yin)(yin)刷法制備(bei)PSM代表性研究
圖10 2023年氣相沉積(ji)制備PSM代表性研(yan)究(jiu)
05
器件穩定性
由于其固有的化學性質和器件結構，PSC在濕度、溫度和光照等環境壓力下不穩定。這些不穩定性阻礙了鈣鈦礦光伏的商業化。與晶體硅光伏器件和電池板類似，鈣鈦礦太陽能電池板在進入能源市場之前必須滿足IEC61215:2016認證測試的穩定性標準，即在85℃和85%相對濕度下同時連續運行1000小時。為了加速PSC的商業化，已經采用了多種方法來提高器件穩定性：鈣鈦礦成分優化、表面和界面鈍化、載流子傳輸材料的分子設計、電極修飾、合理封裝等方法。在本結中，介紹了2023年在濕度（圖11）、熱（圖12）和光照浸泡（圖13），和工作條件下（圖14）提高器件穩定性的研究進展。同時，考慮到未來在空(kong)間和柔(rou)性(xing)電子器件中的(de)(de)(de)應用，還(huan)簡(jian)要描述器件對輻射(she)和機械應力(li)的(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)。表3總結了(le)2023年報道的(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)研(yan)究(jiu)進(jin)展，包含鈣鈦礦成分(fen)、器件結構、效率、穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)測試條件、穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)數據(ju)和穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)提升(sheng)的(de)(de)(de)策略。此外，還(huan)提出了(le)統一穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)評估方法的(de)(de)(de)期望(wang)（圖15）。
圖11 2023年PSC濕度穩(wen)定性代表性研究
圖12 2023年PSC熱穩定(ding)性(xing)代表性(xing)研究
圖13 2023年PSC光照穩定(ding)性代表性研究
圖14 2023年(nian)PSC工作(zuo)條件下穩定性(xing)代表性(xing)研(yan)究
圖15 鈣鈦礦(kuang)材料降解(jie)示意圖(tu)以及鈣鈦礦(kuang)材料和器件性能(neng)的ISOS協議(yi)概述
表3 2023年器件穩定性研究進(jin)展表
06
鉛毒性和綠色溶劑
在過去十年中，PSC的PCE和穩定性有了顯著提高。然而，最先進的高效PSC是使用有毒材料制造的，如吸收劑中的鉛和前體中的有害溶劑。為了防止環境問題并遵守環境法律法規，必須確保PSC在其整個生命周期中都是環保和無污染的。本節討論了2023年在降低鉛毒性（圖16）和使用綠色溶劑（圖17）生產PSC方面的主要進展。
圖16 2023年PSC中降低鉛毒(du)性方(fang)面代(dai)表(biao)性研究
圖17 2023年(nian)使(shi)用綠色溶劑生產PSC的代表性研究
總結與未來展望
在本綜述中，2023年PSC的關鍵進展被全面總結為六類：正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件穩定性、鉛毒性與綠色溶劑。在(zai)這里，我們根據2023年的研究進(jin)展對未來的研究進(jin)行了(le)分(fen)類和展望。
（1）正式n-i-p PSC：首先，通過適當的晶體生長控制策略制備具有更寬吸收范圍的高質量FAPbI3 鈣鈦礦。其次，基于材料的結構特征，開發更適合鈍化FAPbI3的新(xin)型鈍化劑。第三，鑒于spiro-OMeTAD的吸濕性和高成本(ben)，有必要(yao)開發新(xin)型的空穴(xue)傳輸材(cai)料。
（2）反式p-i-n PSC：首先，與常規的n-i-p PSCs類似，通過適當的晶體生長控制策略制備高質量FAPbI3鈣鈦礦(kuang)。其次，明年的(de)另一個(ge)研(yan)究重點(dian)將是新型(xing)空穴傳輸材料的(de)設計。例如，廣泛用于高效IPSCs的(de)SAM分子(zi)的(de)界(jie)面(mian)機制仍(reng)需進一步(bu)(bu)研(yan)究，包(bao)括(kuo)界(jie)面(mian)載(zai)流子(zi)動力學、與鈣鈦礦(kuang)的(de)相互作(zuo)用以及(ji)SAM堆疊(die)模式(shi)。此外，新型(xing)表征技術的(de)發(fa)展對研(yan)究埋(mai)底界(jie)面(mian)的(de)性質和進一步(bu)(bu)設計新型(xing)SAM分子(zi)具(ju)有重要意義(yi)。第三(san)，考慮到與常規n-i-p PSCs的(de)不(bu)同性質，開(kai)發(fa)更適合IPSCs的(de)鈣鈦礦(kuang)表面(mian)鈍化劑對于進一步(bu)(bu)提高器件效率(lv)至關重要。
（3）TSC：目前(qian)，PVK基(ji)的TSC的PCE仍遠低(di)于理論極限。開發低(di)損耗互連層并提高子電池的性能將進一步提高基(ji)于PVK基(ji)的TSC的PCE。
（4）PSM：要實(shi)現(xian)PSM的(de)商業化，必須解決幾個關鍵挑戰，包括可擴展制造技術的(de)進(jin)步、有(you)助(zhu)于在大面積(ji)上沉積(ji)高質量薄膜的(de)鈣鈦礦前體油(you)墨的(de)配方，以及環保且具(ju)有(you)成本效(xiao)益(yi)的(de)制備方法。
（5）器件穩定性：首先，應設計本征穩定的鈣鈦礦材料以滿足商業要求，例如在不失去最佳帶隙的情況下在FAPbI3中進(jin)行陽離子摻雜。其(qi)次(ci)，開發(fa)可靠的封裝材料和(he)技(ji)術對(dui)于保護PSC中敏感的鈣鈦礦和(he)有機材料至(zhi)關重(zhong)要。第三(san)，進(jin)一步統一不同應力條件下的穩定性評估方法(fa)，如ISOS-S（暗儲存）、ISOS-L（光浸泡）、ISOS-O（室外）、ISOS-T（熱(re)循環(huan)）、ISOS-LT（光濕熱(re)循環(huan)），特別是(shi)室外條件，對(dui)于加快(kuai)其(qi)商業化進(jin)程至(zhi)關重(zhong)要。
（6）鉛毒性和綠色溶劑：未來的(de)研究(jiu)工作(zuo)應側重于研究(jiu)具有高前體溶(rong)解(jie)度(du)和優異基底潤(run)濕性的(de)先進環保(bao)溶(rong)劑。此外，還需要進一步開發更全(quan)面的(de)封裝方法(fa)，通過內部和外部保(bao)護措施的(de)結合，提高對水(shui)分、化(hua)學(xue)物質和鉛的(de)抵抗力，并(bing)增強(qiang)解(jie)毒能力。
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