发表日期：18 June 2025
第一作者：Jin Wen
通讯作者：Henry J. Snaith, Jiang Tang, Ulrich W. Paetzold & Hairen Tan
研究背景
近年来，光伏产业在成本大幅降低、效率持续提升和系统寿命延长的推动下取得显著进展，已成为最具竞争力的可再生能源之一。然而随着硅基光伏技术日趋成熟，晶硅(c-Si)电池27.4%(目前最高为27.81%了)的纪录效率已接近其~29.4%的实用理论极限，效率提升空间日益受限。
为突破这一限制并进一步降低光伏发电的平准化成本，超越单结器件效率极限的多结架构方案成为迫切需求。其中全钙钛矿叠层太阳能电池通过能带隙可调的钙钛矿材料，可将两个或多个能带互补的子电池集成于单一器件(如框1所示)，该技术通过减少光子热化损失，使认证能量转换效率(PCE)突破30%，显著优于单结硅基(27.4%)和钙钛矿(26.7%，最高为27%了)电池。更值得注意的是，全钙钛矿叠层微型组件效率已达24.8%，超越单结钙钛矿组件23.2%的纪录。
除卓越效率外，全钙钛矿叠层电池还具有原料丰富、生产能耗低、可溶液/气相加工等优势，有望成为硅基光伏的经济替代方案。其低温可扩展的制造工艺更能满足轻质柔性组件、建筑一体化光伏等多样化应用场景。这些特性结合持续的效率提升潜力，使该技术成为大规模太阳能部署的关键选项。但要从实验室原型走向商业化产品，仍需解决可扩展性、稳定性及实际可靠性等核心挑战。
研究内容
本综述全面梳理全钙钛矿叠层电池的最新进展，重点探讨提升效率的策略及解决稳定性与规模化难题的方案。通过分析p-i-n(倒置)结构中宽带隙(WBG)与窄带隙(NBG)子电池的独特机制与关键挑战，阐释效率提升的内在机理;深入探讨影响稳定性的材料与结构因素，评述提升耐久性的新兴方法;揭示从小面积器件向大面积模块转化过程中的工艺瓶颈;最后提出未来研究方向，并绘制该技术走向实际应用的路线图。
图框1 a展示了全钙钛矿叠层器件的两种构型分类：左侧为四端(4T)结构，右侧为两端(2T)结构。b部分阐释了2T全钙钛矿叠层太阳能电池的材料体系与工作原理，其总输出电压Vsum等于宽带隙(VWBG)与窄带隙(VNBG)子电池电压之和。c部分通过示意图说明离子掺杂如何调控钙钛矿材料的带隙(Eg)与能级结构，其中CB表示导带，CBM为导带最小值，VB代表价带，VBM是价带最大值(Eg定义为电子从价带跃迁至导带所需的最小能量)。d部分对比了2T/4T全钙钛矿叠层电池与单结电池的效率发展历程。
突破单结电池效率极限的策略
图 1：提高宽禁带(WBG)和窄禁带(NBG)子电池效率的策略。
图a展示了叠层结构中宽带隙(WBG)与窄带隙(NBG)钙钛矿子电池的统计性能参数。b部分为钙钛矿太阳能电池p-i-n架构示意图。c部分呈现器件中的非辐射复合路径：带正负号的黑圈分别代表空穴和电子，水平虚线表示分裂费米能级，交错短线为非辐射复合中心，橙/蓝/紫色箭头分别对应HTL界面、钙钛矿体相和ETL界面的非辐射复合通道。d-m系统阐述了p-i-n架构电池的性能损失来源：d为NBG薄膜中Sn²⁺氧化为Sn⁴⁺的电子损失示意图;e展示Sn²⁺在空气中易氧化及Sn粉还原Sn⁴⁺的现象;f描述钙钛矿晶界钝化与体相结晶调控策略;g对比反溶剂与气体淬火法制备WBG薄膜的截面SEM图像;h为钙钛矿界面异质结形成示意图;i展示Pb-Sn电池异质结的HAADF-STEM图像及EDX元素分布;j是钙钛矿表面分子钝化机制示意图;k比较对照组与PDA处理WBG薄膜的KPFM图像;l说明HTL优化与埋底钝化锚定策略;m呈现沉积在PEDOT:PSS和2F衬底上NBG薄膜的KPFM图像。缩写说明：EDA-乙二铵，HAADF-高角环形暗场成像，FF-填充因子，QFLS-准费米能级分裂。
图框2 a展示了全钙钛矿叠层电池与组件在效率和稳定性方面的研究进展时间轴。b部分呈现了全钙钛矿叠层电池中典型通用复合结(TRJs)的演变过程，其中BCP代表浴铜灵，PCBM为[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯。
全钙钛矿叠层太阳能电池的运行稳定性
互连层引发的稳定性问题
尽管SnO₂/超薄金/PEDOT:PSS结构是目前全钙钛矿叠层电池的主流复合结(TRJ)设计，但金团簇在长期运行中可能发生的界面扩散问题(图2g,h)引发了该结构可扩展性的担忧。
为解决这一问题，研究者提出了多种创新互连层方案以提高稳定性。其中SnO₂/纳米晶ITO/自组装单分子层(SAMs)结构兼具高透光性和优异导电性，其采用低温溶液法制备的ITO纳米晶(NC-ITO)层能减少对底层子电池的损伤，并展现出550小时T95稳定性的优异表现(图2i)。
另一种常用结构SnO₂/溅射TCO/PEDOT则通过溅射ITO或氧化铟锌等透明导电氧化物(TCO)薄膜实现高透光导电。在钙钛矿-有机叠层电池中，夹在BCP/SnOₓ与MoOₓ之间的溅射氧化铟锌层通过最小化光学与电学损耗，实现了24%的纪录效率。但溅射工艺(尤其是高温或高能粒子条件)可能对底层钙钛矿子电池造成不可逆损伤，限制了其在高效率全钙钛矿器件中的应用。
新型互连层解决方案
创新性的n-SnO₂/p-SnO₂₋ₓ复合结利用氧化锡的双极性特性实现高效电子-空穴传输。简化的C60/SnO₂₋ₓ互连层通过减少对复杂TRJ结构的依赖并降低溅射损伤，提升了两端(2T)全钙钛矿叠层电池的效率和光稳定性。但该技术需要精确控制脉冲与反应时间以获得最佳Sn:O比例，这一要求制约了其广泛应用。
图 2：子电池和串联光伏电池的运行稳定性。
图a展示了宽带隙(WBG)钙钛矿的稳定性问题。b部分汇总了WBG子电池的最大功率点(MPP)数值。c部分呈现了A位和X位合金化WBG太阳能电池的MPP稳定性，插图为A/X位离子工程对WBG钙钛矿薄膜稳定性的影响机制。
d部分总结了窄带隙(NBG)钙钛矿的稳定性问题(MA表示甲胺)。e部分汇总了NBG子电池的MPP数值。f部分展示了采用P3CT空穴传输层的NBG太阳能电池MPP稳定性，插图为P3CT中甲基连接官能团的pKa计算值。
g部分分析了全钙钛矿叠层太阳能电池中源自复合结(TRJs)的稳定性问题。h部分汇总了采用不同TRJs的全钙钛矿太阳能电池MPP数值。i部分展示了采用SnO2/NC-ITO/SAMs复合结结构的先进全钙钛矿叠层太阳能电池MPP稳定性，插图为自组装单分子层(SAMs)与ITO或ITO纳米晶(NCs)的键合示意图(PACz表示(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸)。
扩大生产规模中的挑战与创新
组件效率损失的关键参数
模块的开路电压(VOC,module)为所有子电池VOC的总和，其损失主要源于大面积钙钛矿层的可扩展涂布质量，包括形貌均匀性、晶体质量、厚度一致性及界面特性。模块短路电流(ISC,module)由所有子电池中最小的ISC决定，其损失主要与几何填充因子(即有效面积与孔径面积之比，见图3c)及模块内部串联电阻(RS)相关。
激光刻划工艺优化
P1与P3刻划线用于隔离相邻子电池电极，而P2刻划线实现电极互连。P2刻划宽度的精确控制至关重要：过宽会降低几何填充因子，过窄则因层间去除不彻底、TCO损伤、碎屑再分布或金属-卤素相互作用而导致电阻损耗增加(图3c)。在P2刻划后沉积~10 nm的ALD-SnOx共形扩散阻挡层，可有效阻隔Ag电极与碘离子的相互扩散，同时在ITO/ALD-SnO2/Ag结处形成低垂直电阻的欧姆接触，并提升器件稳定性。该层还能隔离复合结中的Ag与PEDOT:PSS，提高旁路电阻。通过优化激光参数(如脉冲能量、频率与速度)可确保均匀烧蚀与完全去层，避免TCO损伤。此外，需重点解决窄带隙钙钛矿在模块制备过程中的空气暴露降解问题。
图 3：全钙钛矿叠层电池制造的扩大规模。
图a展示了从小面积(<1 cm²，旋涂法)到大面积(约1 cm²，旋涂/刮涂或全可扩展工艺)及组件尺寸(>10 cm²，全可扩展工艺)的放大制备流程。b部分呈现了约1 cm²全钙钛矿太阳能电池[5,6,11,25等]与微型组件的能量转换效率(PCE)演变趋势。c部分为串联互连全钙钛矿太阳能模块的示意图，并总结了模块设计中的几何损耗可能性。d部分展示了大面积钙钛矿薄膜可扩展加工的工艺流程及结晶调控关键点。e部分对比了基于刮涂法制备的单结与全钙钛矿叠层电池/组件的PCE进展。f部分系统阐述了大面积钙钛矿制备中典型的结晶问题及其解决策略。
研究展望与未来方向
多结结构提升效率
多结架构通过利用更广范围的太阳光谱，为突破叠层器件效率极限提供了革命性策略。理论效率极限随着结数增加而提升(图4a)，且需要各子电池具有最优带隙。与高成本的III-V族多结电池相比，钙钛矿基多结太阳能电池为地面应用提供了更具成本效益的高性能替代方案。然而，增加子电池数量也带来了新的复杂性和挑战，包括顺序加工工艺、器件结构设计、多层堆叠间的相互作用、超窄带隙钙钛矿的选择、稳定性以及规模化生产等问题。
值得注意的是，目前钙钛矿材料的最低带隙(约1.2eV)限制了全钙钛矿多结光伏器件的发展(例如，四结及以上器件需要至少两个子电池的带隙小于1.15eV)。最近，通过在Pb-Sn钙钛矿薄膜中添加氨基酸盐，研究人员成功提高了薄膜质量和光电性能，创造了三结器件28.7%和四结器件27.9%的效率新纪录。尽管如此，要实现37%的实用效率潜力(对应1.2、1.5和2.0eV的理想带隙)仍存在显著差距。理论与实验效率的差异主要源于宽带隙(2.0eV)顶电池的性能限制，其中高Br含量导致薄膜质量下降。
由于宽带隙电池的通用性，全钙钛矿多结器件的优化往往与钙钛矿/硅和钙钛矿/有机多结技术的进步同步。新兴的解决方案包括使用卤化二铵盐和1,3-二碘丙烷作为添加剂来提高卤化物均匀性。组分工程方面，如在A位用Rb+替代Cs+，在X位引入卤代氰酸盐(OCN-)，已显示出缓解晶格应力的潜力。要充分实现多结架构的潜力，需要持续优化子电池性能，并辅以先进的光管理技术(包括抗反射涂层和光子结构)，以确保最佳的光子利用和电流匹配。
结构设计的实际应用优化
全钙钛矿叠层光伏器件的实际性能取决于对多种变量的适应能力，包括倾斜角度、跟踪方法以及太阳光谱和湿度等气候因素。在实际辐照条件下考虑反照率辐射时，双面叠层光伏相比单面光伏保持了更高的能量产出增益。对于双面叠层组件，实现电流匹配并最大化利用直射光和漫射光的能量捕获，需要有效的灯光管理(图4b)。为此，研究人员正在开发先进策略，如带隙调节(图4c)、角度响应优化和热管理系统等来解决这些挑战。
现场测试条件下的一个关键障碍是电流失配问题，入射角度的变化和光谱偏移会破坏子电池的光电流平衡。与标准测试协议的控制条件不同，现场测试条件使器件暴露于动态热效应、风和湿度中，这些因素可能改变钙钛矿的带隙并加剧失配。尽管如此，叠层光伏器件在漫射光和非标准光谱条件下表现出了优于单结器件的性能，突显了其在实际应用中的优越潜力。
兼具高效率和机械适应性的全钙钛矿柔性叠层模块，非常适用于可穿戴电子设备、曲面和建筑一体化光伏应用(图4d)。然而，在机械应力、环境暴露和热循环条件下保持长期运行稳定性仍然是一个重大挑战(图4e)。研究表明，用NiOx/SAM传输层替代NiOx可显著增强机械韧性。要进一步推进，需要优化中间复合结(TRJ)结构以平衡电学性能和弯曲柔性，同时减轻激光划刻引起的分层和热效应。例如，沿P3凹槽的弯曲诱导金属分层仍然是一个关键问题，会增加短路风险(图4f)。解决这些限制对于提高柔性叠层模块的可靠性和可扩展性至关重要。
环境生命周期的提升
全钙钛矿叠层太阳能电池的环境足迹是其大规模应用的关键考量。未来的产业化应优先转向完全绿色的溶剂法或蒸镀法制备工艺。封装技术具有双重作用：既确保器件的长期稳定性，又作为防止运行过程中铅泄漏的重要屏障。目前的封装技术包括单层涂层(如紫外线固化的环氧树脂或硅胶)(图4g)和使用热塑性聚合物进行多步热压(图4h,i)。其中，多步热压因其强大的保护能力而在工业环境中得到广泛应用，但仍需进一步创新以提高效率和灵活性，同时最大限度地减少加热过程中的效率损失。未来的进展应聚焦于开发高性能多层阻隔膜、先进粘合界面和创新柔性封装设计。
尽管在实现全钙钛矿多结器件的全部潜力方面仍存在诸多挑战，但钙钛矿研究的持续努力和快速进展为我们展现了光明的前景。作者坚信，全钙钛矿叠层电池代表了钙钛矿技术的终极体现，将为开发高效且经济实惠的薄膜组件铺平道路，并最终推动其大规模生产和应用。
图 4：全钙钛矿叠层光伏的前景。
图框a展示了不同子电池数量的多结太阳能电池理论效率极限，各数据点标注了组合时的最优带隙值(eV)。b部分为双面叠层器件的能量捕获示意图，包含直射光、云层散射光及环境反射光。c部分呈现不同顶部电池带隙的双面全钙钛矿叠层电池在正面(玻璃侧)光照下的宽带隙(WBG)与窄带隙(NBG)子电池外量子效率(EQE)曲线。d部分展示柔性模块弯曲测试的实验设计。e-f部分分别说明弯曲测试后柔性叠层模块的机械断裂/分层现象及P3区域金属电极分层机制。g部分为一步法涂覆聚二甲基硅氧烷封装器件的实物照片。h部分对比乙烯-醋酸乙烯酯(左)和虫胶封装(右)钙钛矿模块在冰雹冲击测试后的状态。i部分为钙钛矿器件封装结构示意图。
原文：Wen, J., Hu, H., Chen, C. et al. Present status of and future opportunities for all-perovskite tandem photovoltaics. Nat Energy 10, 681–696 (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01782-0
