【JEC综述】多单位联合撰写——钙钛矿太阳能电池从3.8%到28.0%，效率飞跃背后的科学逻辑与产业化蓝图

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是近年来光伏领域最具变革性的技术之一。凭借优异的光电性能、组分可调性和可溶液加工等优势，PSCs在短短十余年间实现了从3.8%到28.0%的效率飞跃，钙钛矿/硅叠层电池效率更已突破35%。柔性PSCs和钙钛矿基叠层电池（全钙钛矿、钙钛矿/硅、钙钛矿/有机等构型）的发展也极大拓展了其应用场景。然而，从实验室走向大规模商业化，PSCs仍面临稳定性、规模化制备、环境可持续性和经济可行性等核心挑战。

本综述系统回顾了PSCs的三个核心议题：

一、实验室效率突破与策略演进

单结PSC的效率从2009年的3.8%攀升至当前的28.0%（认证），反式（p-i-n）结构凭借自组装单分子层等技术创新后来居上（如图1）。文章系统梳理了器件结构、组分工程、电荷传输层、界面工程、添加剂与反溶剂工程等多维度优化策略，揭示了效率提升背后的科学逻辑。

图 1. 小尺寸单节钙钛矿太阳能电池效率进展图

二、叠层器件与柔性光伏的协同推进

钙钛矿基叠层电池通过宽带隙钙钛矿顶电池与窄带隙底电池（晶硅、有机半导体或锡铅混合钙钛矿）的集成，实现了对太阳光谱的更充分利用（如图2）。全钙钛矿叠层已突破30%，钙钛矿/硅叠层超过35%。柔性PSCs则凭借低温柔性加工优势，效率已超26%，为可穿戴电子、建筑光伏一体化等场景提供了全新可能。

图 2. 基于钙钛矿的叠层太阳能电池结构

三、产业化进程与可持续性挑战

文章详述了PSCs从实验室到GW级量产的规模化制造技术（如刮涂、狭缝涂布、卷对卷印刷）（如图3），分析了模组效率提升、激光划片互联、稳定性评估等产业化关键问题。在可持续性方面，重点讨论了铅毒性管理（封装阻隔、泄漏抑制、回收利用，如图4）和锡基无铅替代两大路径。

图 3. 钙钛矿的规模化制备技术

图 4. (a) 铅从钙钛矿太阳能电池泄漏至人体的途径，(b) 标准化泄漏测试示意图

PSCs正站在从实验室走向商业化的关键节点。未来突破需要多维度协同推进（如图5）：人工智能加速材料发现与器件优化，通过机器学习筛选新型组分、预测降解路径；自动化高通量制造保障大面积薄膜的均匀性与良率；政策与标准支持建立统一的稳定性测试和铅泄漏评估规范；循环经济设计从源头引入绿色溶剂和模组易拆解回收方案。同时，零维量子点等降维策略和热载流子电池、中间带电池等下一代概念也为突破效率极限提供了新思路。唯有在效率、稳定性、可制造性和环境友好性之间取得平衡，钙钛矿光伏才能真正成为全球能源转型的变革性力量。

图 5. 钙钛矿太阳能电池技术的总结与展望

凌旭峰

重庆大学物理学院副研究员，2021年获苏州大学物理学博士学位，2019-2020年于瑞士洛桑联邦理工学院联合培养。研究方向为卤化物钙钛矿与量子点太阳能电池。

卜童乐

武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室研究员，2019年获材料科学与工程博士学位，研究方向为高质量钙钛矿材料及其在高效稳定光伏与叠层电池中的应用。

陈炜杰

苏州大学材料与化学化工学部教授，2021年获高分子化学与物理博士学位，研究方向为钙钛矿/有机叠层太阳能电池及新兴光电器件应用。

李萌

河南大学纳米科学与材料工程学院教授，2018年获材料科学与工程博士学位，研究方向为有机-无机杂化半导体材料在光伏与发光器件中的应用。

李晓冬

华东师范大学物理与电子科学学院教授，2016年获得材料物理与化学博士学位，研究方向为光电器件（包括钙钛矿太阳能电池）中界面异质结构的设计与优化。

梁佳

复旦大学智慧材料与未来能源创新学院青年研究员。2015年于北京大学获得物理电子学博士学位。研究方向包括锡基钙钛矿太阳能电池功能材料、谷电子学及相关光电器件。

刘畅

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，2017年获得高分子工程博士学位。研究方向为单结及叠层钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料和电荷传输材料的设计与合成。

刘宗豪

华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，2016年获得光学工程博士学位。研究方向为基于无机/有机钙钛矿的光电器件，尤其专注于钙钛矿太阳能电池及组件。

罗德映

北京航空航天大学国际前沿交叉科学研究院教授。2019年于北京大学获得博士学位，随后在多伦多大学和加州大学圣地亚哥分校从事博士后研究。研究方向为半导体材料与光电器件。

马纯青

四川大学化学学院教授，2019年于香港城市大学获得化学博士学位。研究方向集中于杂化钙钛矿的界面工程、微观结构与稳定性机制。

梅安意

华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，2018年获得光学工程博士学位。研究方向是利用全印刷材料和介孔器件结构实现低成本光伏技术。

谈利承

南昌大学化学化工学院教授，2012年获得材料物理与化学博士学位。研究方向聚焦于柔性有机/钙钛矿光伏器件。

张鸿

复旦大学光电研究院青年研究员。2018年于香港大学获得博士学位，随后在瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel院士课题组从事博士后研究。研究方向为钙钛矿/硅叠层太阳能电池。

张懿强

郑州大学化学学院教授，2012年获西弗吉尼亚大学电子工程博士学位。研究方向为低维钙钛矿材料的设计与合成以及叠层光伏器件的制备。

赵丽宸

北京科技大学新材料技术研究院研究员，2019年获北京大学光学博士学位。研究方向集中于钙钛矿及新兴量子点在光伏器件及其它光电器件中的设计与开发。

袁建宇

苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）教授，2016年获材料科学与工程博士学位。研究方向为有机共轭材料和无机量子点在光伏及新兴光电器件中的设计与合成。

赵一新

上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授。2010年博士毕业于美国凯斯西储大学，随后在美国宾夕法尼亚州立大学和国家可再生能源实验室从事博士后研究。研究方向包括钙钛矿太阳能电池、光电催化与环境修复。