钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cell，PSC）以具有钙钛矿晶体结构的半导体作为主要光吸收层。光伏研究中常见的是金属卤化物钙钛矿；这里的“钙钛矿”说明一类晶体结构和材料家族，并不指一种固定配方。本词条限于光伏器件，不扩展到采用钙钛矿材料的催化、燃料电池等用途。

典型三维金属卤化物钙钛矿可用 ABX₃ 表示：A 位通常是单价阳离子，常见例子包括甲基铵（MA⁺）、甲脒（FA⁺）或铯（Cs⁺）；B 位是金属阳离子，常见例子包括铅（Pb²⁺）或锡（Sn²⁺）；X 位是卤素阴离子，例如碘、溴或氯。B 位与六个 X 位离子配位，构成 BX₆ 八面体；这些八面体可通过顶点相连形成骨架，A 位离子处于骨架间的空隙中。该模型有助于理解光伏吸收层的组成，但不是所有钙钛矿太阳能电池吸收层的完整描述：器件材料可混合不同离子，也可采用畸变、二维或准二维结构。

改变 A、B 或 X 位的组成会影响材料的光学带隙和吸收光谱。带隙较宽的吸收层主要利用较高能量、较短波长的光，低能量的较长波段光可继续进入下层电池；这为钙钛矿与硅等吸收材料进行光谱分工提供了设计空间。许多金属卤化物钙钛矿对特定波段的吸收较强，因此可用较薄的吸收层实现光捕获，但膜厚需在吸收、载流子传输和复合损失间权衡，并取决于具体组成与结构。更厚的膜可以吸收更多入射光，但也可能增加载流子到达选择性接触层的输运距离；若薄膜或界面缺陷较多，额外距离会让复合损失更显著。组件设计因此须同时考虑光吸收、载流子收集和大面积成膜均匀性，不能把“越薄”或“吸收越强”单独视为性能保证。组成调整并非只改变吸光颜色，也可能影响载流子传输、缺陷、相稳定性与器件寿命，因此需按具体材料和器件测试理解。

一种常见薄膜器件由支撑基底、光入射侧透明电极、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和背电极构成。玻璃是常见支撑基底，透明导电氧化物可用作入射侧电极。光穿过透明电极到达吸收层，电子传输层和空穴传输层则帮助不同载流子流向各自的电极。

从光入射侧看，常见结构可归为 n-i-p 或 p-i-n 两类，差别主要在电子与空穴选择性接触层的排列顺序；它们是器件结构类型，不是某一种材料或唯一层序的名称。器件还可能加入介孔支架、缓冲层、界面修饰层或钝化层。半透明器件与叠层器件可能采用透光背电极或其他额外的界面层。因而“透明电极—传输层—吸收层—电极”是便于理解的功能框架，具体结构仍取决于光入射方向、吸收材料和电气连接方式。

当吸收层吸收能量合适的光子时，材料会产生光生电子与空穴等载流子。器件内的电场、能级关系和选择性接触共同影响载流子的分离、传输与收集。电子和空穴分别到达相应电极后，外接电路中的电荷流动形成电流，器件两端的电势差表现为输出电压。

电子传输层在设计上偏向传递电子并抑制空穴反向进入，空穴传输层则偏向传递空穴。若选择性或能级匹配不足，另一类载流子可能在界面聚集并复合，增加能量损失。载流子也可能在吸收层缺陷或层间界面处复合，未被收集的电荷便不能贡献于外电路输出。因此，薄膜覆盖和结晶质量、界面缺陷、传输层的选择性与能级匹配、电极接触等因素会共同影响器件。对钙钛矿电池而言，不能把工作原理简化为“吸光层单独产生电流”：各功能层和界面均参与电荷收集，而且其影响随材料和器件结构而异。

单结钙钛矿电池以一个吸收子电池完成光电转换。叠层是将不同吸收特性的光伏子电池层叠组合的广义结构。按美国能源部采用的带隙分类，多于一个带隙的器件属于多结范畴，其中恰好两个带隙的称为双结（tandem）。为避免中文“两个以上”边界重叠，本文用“双结”专指两种带隙，用“三结及以上”专指带隙数不少于三的器件；引用 multijunction 时也应说明所用口径。

在钙钛矿—硅双结电池中，可调整钙钛矿的组成和带隙，使上层吸收较高能量的一部分光，未被上层吸收的较长波段光继续进入下方硅电池。钙钛矿与硅不是唯一组合：不同带隙的钙钛矿也可组成全钙钛矿双结或多结电池，钙钛矿还可与其他吸收材料搭配。因此，单结钙钛矿电池不是叠层电池，也不是所有钙钛矿电池都采用硅作为下层。

双结或多结器件还需选择电气连接方式。两端子串联结构把子电池连接在同一电路中，设计时须处理子电池的光生电流匹配和中间互连接触；四端子结构分别连接各子电池，使其可以独立运行，但会增加接触层并要求光学堆叠妥当。不同端子架构在制程、透光、串联连接和运行条件上各有要求，不能仅以某一种实验室纪录判断适用性。

钙钛矿薄膜可由液态前驱体涂布或采用气相沉积等方式形成。研究器件常使用旋涂；刮涂、狭缝涂布、喷涂和卷对卷工艺则是研究中的可扩展制备路线。单个小面积基片上能够形成薄膜或制成电池，不等同于已建立高良率、可重复的组件量产工艺；可涂布或低温加工的潜在优势，也不能单独证明产品已经低成本。

面积扩大后，制造需处理涂层厚度和组成均匀性、溶剂挥发与结晶窗口、针孔或局部缺陷、不同层之间的兼容性及工艺重复性。组件还要把薄膜分割为电池单元并串联连接，常见做法包括激光划线和电极互连；划线区、互连、电极和封装会占用面积或产生额外损失。组件边缘密封与封装用于降低水汽、氧气等环境因素的影响。DOE 的技术说明也将稳定性、规模效率、可制造性和技术验证列为需要并行解决的问题。

效率是光伏器件输出电功率与入射光功率之比，数值只在对应的照明和测量条件下成立。研究电池通常是单个小面积器件；微型组件和大面积组件则包含互连单元、划线区和更大范围的制造差异。报告的面积可能按器件总面积（total area）、孔径面积（aperture area）、指定照射面积（designated illumination area，da）或研究方定义的有效/活性面积计算。不同口径对遮罩边界、外部接触和互连区的处理不一，比较时须同时说明面积定义和认证实验室，不能把“有效面积”自动当作 da。第三方确认的研究电池效率纪录说明特定测试条件下某个研究器件的结果，不等于同类组件效率，更不代表量产产品或户外电站的发电量。

认证实验室的室内电池测试在受控光谱、光强和温度下测量样品的电学输出；它适于在标准条件下比较器件，但不测长期天气暴露。组件校准或认证则关注封装后的互连器件，并采用组件面积口径和相应的测试程序。户外试验记录特定地点、安装方式和观测期内的天气、发电与退化情况；系统级能量产出还包含逆变器、布线、朝向和遮挡影响。这些测试层级回答不同问题，不宜相互代替。稳定性测试也须说明时长、温度、湿度、光照、偏压、封装及失效判据。DOE 的研发说明举例列出小组件的紫外照射、热循环、湿热、电势诱导退化，以及同时光照和加热的稳定性测试；这些方法用于检查规定应力下的失效模式，不能替代户外观察。不同实验室若测试条件不一致，单看效率保持率或测试小时数不能准确排列优劣；加速老化测试用于考察特定应力下的失效模式，也不能单独推断数十年户外寿命。组件级测试、独立验证和长期户外数据回答的是不同问题，宜分开报告。

水汽、氧气、光照、热和电压偏置等因素均可能影响钙钛矿吸收层及其他器件层。材料组分变化或迁移、吸收层和界面缺陷、传输层或电极变化、封装破损等都可能影响运行表现；具体主导因素随配方、架构和测试条件改变。封装可以减缓外界因素进入，却不是对长期运行稳定性的自动保证。设计和评价时需同时关注吸收层、相邻功能层、接触界面、边封和整块组件。

不少受到研究的金属卤化物钙钛矿配方含铅，另有锡等其他组成路线正在研究。含铅器件在封装、机械损伤、报废和回收环节需评估铅的约束与处置；研究显示铅释放会随组件结构、封装和损伤条件而异。因而不能仅凭“钙钛矿”这一材料名称推断器件无铅、无毒或不会发生环境释放，也不应把某种封装实验的结果推广为所有组件都安全。