1、 钙钛矿基本情况介绍
1.1、 钙钛矿电池原理
1）钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代薄膜电池的代表，包括单结钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池两种类型，具有高能量转化效率、价格低、重量轻、柔性大等特性。当前晶硅电池效率已经逐步接近理论效率极限 29.4%，而钙钛矿单结电池的肖克利-奎伊瑟（S-Q）理论效率极限为 33.7%，全钙钛矿叠层电池理论效率可达 44%，目前晶硅-钙钛矿叠层电池实验室效率已达 33.9%（隆基数据）。随着工艺技术不断突破，钙钛矿电池将进一步打开光电转化效率天花板。

2）根据《Organic-Inorganic Halide Perovskite Photovoltaics》，钙钛矿最初是指化学式为CaTiO3 的矿物质以及拥有 CaTiO3 结构的金属氧化物， 经过多年发展，目前演变为具备化学通式 ABX3 的物质都可被称为钙钛矿。钙钛矿材料的结构示意图如图 1 所示。钙钛矿晶体为 ABX3 结构，一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，A 离子位于立方晶胞中心，被 12 个 X 离子包围成配位立方八面体；B 离子位于立方晶胞角顶，被 6个 X 离子包围成配位八面体。A 可选择甲胺（CH3NH3+，MA+）、甲脒（NH2-HC=NH2+，FA+）和 Cs+等一价阳离子，B 可选择为 Pb2+、Sn2+和 Ge2+等二价阳离子，X 可选择I-、Cl-和 Br-等卤素阴离子，当 A 或 X 离子选择多种配方体系时即构成混合离子钙钛矿。

3）钙钛矿层材质种类较多且成本低廉。ABX3 结构的化合物，其中 A 位、B 位、X 位均可迭代替换，可选的材质种类众多。据测算，目前元素周期表里 86%的元素均可作为钙钛矿的 ABX3 的原材料。所以，钙钛矿电池相对于其他化合物薄膜电池具有原料易获取、可迭代、成本低的优点。

1.2、 钙钛矿实验室效率提升和问题解决

1）钙钛矿自 2009 年开始应用于光伏电池发电，由日本科学家 Kojima 和 Miyasaka 将钙钦矿材料应用到染料敏化太阳能电池中，并实现了 3.8%的光电转换效率。在各国实验室的研究推进下，钙钛矿电池单结转换效率迅速提升。2012 年研究小组使用固态

2）spiro-OMeTAD 作为空穴传输层以替代传统的液体电解质并制备出全固态钙铁矿太阳能电池，转换效率突破 10%；2013-2015 年得益于两步沉积法、氧化铝取代二氧化钦、采用阳离子交换等途径，钙铁矿太阳能电池转换效率相继突破 15%和 20%；2019 年通过增强电荷载体管理，实现了 25%的效率突破，2022 年叠层钙钛矿再度实现 29%的突破。

3）根据美国国家可再生能源实验室（NREL）在 2023 年 7 月公布的数据，单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已经提升到了 26.1%；在 2023 年 11 月的 NREL 报告中，隆基绿能自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池效率已达到 33.9%。随着工艺技术不断突破，钙钛矿电池将进一步打开光电转化效率天花板。

4）针对钙钛矿存在的有关缺陷，如寿命短、面积不同时效率不统一、钙钛矿材料和器件稳定性不足等劣势，科研学术界仍不断钻研，并取得一定进展。2024 年 1 月，陈江照和易健宏团队开发了一种多齿配体增强的螯合策略，通过管理界面缺陷和应力，来提高埋底界面的稳定性。他们采用膦酸酯修饰埋底界面，并减轻了界面残余拉应力，促进钙钛矿结晶，降低影响电池性能的界面能垒。该多齿配体调控策略，可适用于不同的钙钛矿组分，具有很好的普适性。由于显著减少了非辐射复合和显著提高的界面接触，膦酸酯修饰的器件实现了 24.63%的功率转换效率，这是目前报道的空气环境制备器件最高效率之一。