Moungi G. Bawendi诺奖团队最新钙钛矿太阳能电池综述:从ABX₃材料到电池商业化

来源:太阳能电池札记发布时间:2025-06-09 14:31:23

诺贝尔奖获得者Moungi G. Bawendi的团队,2025年在顶级期刊《Nature Reviews Methods Primers》上发表了一篇关于钙钛矿太阳能电池的重磅综述,介绍了从钙钛矿(ABX3)材料的晶体组成到钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)商业化面临的挑战,涵盖配方设计、界面工程、薄膜制备和电池表征等一系列内容,文章排版清楚而且浅尝辄止,个人觉得比较适合推荐给对钙钛矿电池感兴趣的朋友!

钙钛矿太阳能电池凭什么挑战硅基电池

效率飞跃:从3.8%到认证的最高效率27%(NREL实验室数据),十年走完晶硅四十年的路。

成本与工艺优势:原材料丰富,核心光活性层(钙钛矿)为直接带隙半导体可通过溶液法(如旋涂、刮刀涂布)或干法(如热蒸发) 在相对低温下制备,显著降低能耗和设备成本。

柔性潜力:可在柔性基底(如塑料/薄膜)上制备,为可穿戴设备、建筑一体化光伏(BIPV)等创新应用铺平道路。

光学可调:通过调整化学成分(A、B、X位离子),带隙可在较宽范围内精细调控,特别适合与硅电池组成叠层电池(Tandem)互补光谱吸收

钙钛矿太阳能电池的基本构造

PSCs的核心是一种具有ABX₃结构的金属卤化物钙钛矿材料,其中A位通常是有机或无机阳离子(如甲胺MA⁺、甲脒FA⁺或铯Cs⁺),B位是金属阳离子(如铅Pb²⁺或锡Sn²⁺),X位是卤素阴离子(如碘I⁻、溴Br⁻或氯Cl⁻)

器件结构主要分为两种:正式(n-i-p)结构&反式(p-i-n)结构

典型器件结构包含三个关键部分:光活性层:钙钛矿材料,通常为ABX₃结构的金属卤化物钙钛矿(如甲胺铅碘MAPbI₃、甲脒铅碘FAPbI₃),负责吸收阳光,产生电子-空穴对

光活性层的制备工艺

1. 溶液法工艺

一步旋涂法:快速简便但受操作者技术影响大

两步旋涂法:先沉积PbI₂层,再与有机盐反应,重现性更好

刮涂法:适合大面积制备,通过调节涂布速度和干燥条件控制膜厚

狭缝涂布:适用于卷对卷工艺,需精确控制流体动力学

喷涂法:适合柔性器件,需优化液滴大小和均匀性

2. 干法工艺

共蒸发法:同时蒸发金属卤化物和有机铵盐,需精确控制沉积速率

顺序蒸发法:分步沉积前驱体,简化速率控制但需管理反应

混合沉积法:结合溶液与气相沉积优势,可引入添加剂

光活性层相稳定性策略

纯FAPbI₃具有接近理想的窄带隙(~1.48 eV),但在室温下会从光活性的黑色α相转变为非光活性的黄色δ相。稳定α相的三大策略:

组分工程(Compositional Engineering):混合不同阳离子(如Cs⁺, MA⁺, FA⁺)或阴离子(如Br⁻,I⁻),调节容忍因子(Tolerance Factor),降低形成能,稳定α相

溶剂工程(Solvent Engineering):利用路易斯酸碱配合物(如DMSO-PbI₂)形成中间相,控制结晶动力学,获得高质量、大晶粒薄膜

挥发性添加剂(Volatile Additives): 如甲基氯化铵(MACl),在结晶过程中形成中间体,退火时挥发,留下高结晶度的纯α相FAPbI₃。

电荷传输层:包括电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL),分别负责传输电子和空穴

电子传输层(ETL,n型):如二氧化钛(TiO₂)、二氧化锡(SnO₂)、氧化锌(ZnO)、富勒烯及其衍生物(C₆₀, PCBM),负责高效提取和传输电子,同时阻挡空穴

空穴传输层(HTL,p型):如Spiro-OmetaD、PEDOT:PSS、PTAA、氧化镍(NiOₓ),负责高效提取和传输空穴,同时阻挡电子

电极:通常由纯金属或金属氧化物制成

透明底电极(薄膜):通常是掺氟氧化锡(FTO)或氧化铟锡(ITO)。挑战在于柔性、成本和高温处理对底层损伤

顶电极:传统为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu),通过热蒸发或溅射制备。挑战在于金属离子迁移导致器件退化、真空工艺成本高

新兴希望:碳电极!

碳纳米管(CNTs):干法转移(FCCVD制备)或溶液法涂布。兼具高导电、一定透明度、优异柔性和化学惰性,已展现超越金属电极的性能

碳浆(Carbon Paste):通过层压(Lamination)制备。成本极低,稳定性优异,但厚、不透明、需高温处理(>500°C),限制应用场景

特殊类型钙钛矿活性层

  1. 钙钛矿量子点(PQDs)优势包括相位稳定性高、带隙可调、无需高温退火。目前效率纪录达18.1%,但表面配体影响电荷传输。

2. 锡基钙钛矿

作为无铅替代品,具有更低毒性、更窄带隙,但易氧化。常用甲脒锡碘FASnI₃材料,通过添加剂工程提高稳定性,目前效率相对较低。

3. 双钙钛矿

如Cs₂AgBiBr₆,完全不含铅,但通常具有间接和较宽带隙,更适合辐射探测等应用。

钙钛矿太阳能电池的基本表征

电流密度-电压(J-V)曲线:核心!测量Voc、Jsc、FF,计算PCE。需注意钙钛矿电池可能存在迟滞(Hysteresis)现象,即正反扫J-V差异,需采用标准测量协议(如稳定功率输出SPO)

量子效率(EQE/IPCE):测量电池对不同波长光的响应能力,积分可得Jsc,用于验证J-V结果

形貌与成分表征:原子力显微镜(AFM)、扫描/透射电镜(SEM/TEM)、X射线衍射(XRD)等,观察薄膜质量、晶粒大小、结晶性、相纯度

光学表征:紫外-可见吸收(UV-Vis)、光致发光(PL)、时间分辨PL(TRPL),研究光吸收、带隙、缺陷态、载流子寿命和复合动力学

电学表征:空间电荷限制电流(SCLC)测陷阱密度和迁移率,电化学阻抗谱(EIS)研究界面电荷传输和复合

界面表征:X射线光电子能谱(XPS)、开尔文探针力显微镜(KPFM)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)等,深入理解界面化学、能级排列、离子迁移等,对效率和稳定性至关重要。

机械测试(柔性器件):膜厚、纳米压痕、循环弯折测试,柔韧性和耐用性

稳定性:光(相)稳定性、热稳定性

钙钛矿电池的应用前景:不止于屋顶

建筑一体化光伏(BIPV):半透明特性使其完美融入窗户、幕墙,让建筑本身发电

便携与柔性电子:轻、薄、柔的特性,为可穿戴设备、移动电源供电

钙钛矿-硅叠层电池:串联堆叠钙钛矿(顶电池吸收高能光子)和硅(底电池吸收低能光子)电池,可以突破单结电池效率极限,是近期最有望快速商业化的方向,且与现有硅产线兼容性强

太空应用:高功率重量比和抗辐射性能高,使其成为卫星能源的潜力选项

商业化之路:挑战与突破

尽管前景光明,PSCs要大规模商业化仍需跨越几座大山:

稳定性(最大瓶颈):

环境敏感性:水汽、氧气、光照、高温易导致降解

内在机制:离子迁移(特别是卤素离子)、相分离(混合卤素体系)、热膨胀失配(叠层电池)是主要问题

解决方案:优化组分提高本征稳定性、开发高效封装技术、界面工程与钝化(如2D/3D异质结)、建立严格的加速老化与野外测试标准

铅毒性与环境影响:

尽管单块电池铅含量很低(约0.8 g/m²),泄漏风险仍受关注。

解决方案:开发无铅替代品(FASnI₃、Cs₂AgBiBr₆)、铅封存技术、电池回收工艺(回收率可达90%)

溶剂使用:部分有机溶剂有环境和健康风险,推动无溶剂干法工艺和绿色溶剂替代是方向

重现性(Reproducibility):实验室内同批次间性能差异大,阻碍产业化和信任建立。

根源:材料纯度、环境波动(温湿度)、工艺参数(如反溶剂滴加时机)的微小变化对敏感的钙钛矿结晶影响巨大

解决方案:机器人控制结合人工智能(AI)优化工艺参数、开发更稳健的制备流程(如无反溶剂)、标准化材料和测试流程、研究论文中要求详尽报告实验细节(材料来源、环境条件、设备参数)

大面积制造(Scalability):将实验室小面积旋涂制备的高效电池放大成稳定可靠的组件。狭缝涂布、刮刀涂布等卷对卷(R2R)兼容技术是重点发展方向

未来展望:从实验室到千家万户

钙钛矿太阳能电池以其惊人的效率提升速度、独特的材料优势和广阔的应用前景,已成为光伏领域最具颠覆性的技术之一。尽管在稳定性、重现性、环境影响和规模化生产方面仍面临挑战,但全球科研界和产业界的共同努力正在不断取得突破。随着材料科学、界面工程、制备工艺和封装技术的持续进步,特别是钙钛矿-硅叠层电池的推进和AI赋能制造的引入,钙钛矿太阳能电池正加速从实验室的创新走向商业化的现实,有望为全球清洁能源转型注入强劲动力,照亮可持续发展的未来。


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