近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院碳中和技術(shù)研究所王在偉研究員與新加坡國立大學侯毅教授合作在國際權(quán)威期刊Nature Reviews Clean Technology發(fā)表了題為 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的綜述性論文[]，系統(tǒng)總結(jié)了鈣鈦礦基多結(jié)太陽能電池的最新研究進展與未來發(fā)展方向。這一成果為推動新一代高效、低成本光伏技術(shù)提供了重要的理論依據(jù)和發(fā)展藍圖。

研究背景

光伏發(fā)電作為實現(xiàn)碳中和的重要能源技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。然而，目前商用的硅基或鈣鈦礦單結(jié)電池效率已接近單結(jié)理論極限，進一步提升空間有限。多結(jié)太陽能電池通過層疊具有互補帶隙的光吸收材料，可更高效地利用太陽光譜，被認為是突破效率瓶頸的關(guān)鍵路徑。

鈣鈦礦材料因其帶隙可調(diào)、制備成本低、工藝靈活等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于與硅或其他半導(dǎo)體疊層的多結(jié)光伏器件中。但與此同時，該領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如超寬帶隙鈣鈦礦在光照下易發(fā)生相分離，中間層材料電流輸出不足，以及層間工藝兼容性差等問題，這些因素制約了器件的進一步發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。

研究亮點與主要結(jié)論

該綜述全面梳理了近年來鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結(jié)太陽能電池的研究進展，并從材料設(shè)計、器件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用潛力三個層面提出了深入分析與展望。

1. 頂層電池優(yōu)化：超寬帶隙鈣鈦礦是實現(xiàn)三結(jié)器件的關(guān)鍵，但其相分離問題嚴重。研究表明，通過離子摻雜（如Rb?、Cl?）或化學組分工程，可有效改善結(jié)晶性，抑制鹵素離子遷移，從而提升開路電壓和穩(wěn)定性。
2. 中間層材料突破：理想的中間層帶隙應(yīng)在1.40–1.50 eV之間。Pb–Sn混合鈣鈦礦以及純相FAPbI?等材料表現(xiàn)出良好的潛力，部分研究已實現(xiàn)接近理論值的電流匹配，推動了整體效率的提升。
3. 硅底電池升級：作為光伏產(chǎn)業(yè)的主力，硅電池為疊層提供了堅實的基底。最新的TOPCon、硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）等技術(shù)與鈣鈦礦疊層結(jié)合，展現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)換效率和良好的穩(wěn)定性。
4. 互連層設(shè)計：合理的互連層不僅要高透明度、低電阻，還需避免對下層造成損傷。通過優(yōu)化透明導(dǎo)電氧化物（ITO、IZO）或超薄金屬層，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的電荷輸運并減少寄生吸收。

模擬結(jié)果顯示，鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結(jié)電池的理論效率可達44.3%，比雙結(jié)電池的理論極限（39.5%）高出約5個百分點。在實際氣候條件下，該類三結(jié)器件的發(fā)電量比單結(jié)電池提升33–46%，比雙結(jié)電池高約8%，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

應(yīng)用前景與意義

鈣鈦礦基多結(jié)太陽能電池憑借其優(yōu)異的光電性能和低成本優(yōu)勢，被視為最有希望與傳統(tǒng)硅光伏結(jié)合的下一代高效器件。本研究不僅全面總結(jié)了當前研究中的關(guān)鍵科學問題，也明確指出了未來的發(fā)展方向：

• 降低開路電壓損失：通過界面工程和能級匹配減少非輻射復(fù)合；
• 開發(fā)理想中間層材料：尋找穩(wěn)定的窄帶隙鈣鈦礦以提升電流輸出；
• 提升器件穩(wěn)定性：通過材料組分調(diào)控和封裝技術(shù)增強長期運行壽命；
• 推進規(guī)模化制備：探索低成本、兼容性強的大面積沉積工藝。

該綜述的發(fā)表，不僅為科研人員提供了系統(tǒng)性的研究框架和問題導(dǎo)向，也為產(chǎn)業(yè)界探索低成本、高效率的下一代光伏器件提供了技術(shù)路線圖。未來，鈣鈦礦多結(jié)太陽能電池有望在大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)中發(fā)揮核心作用，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。

論文上線截圖，DOI: 10.1038/s44359-025-00103-8

鈣鈦礦-硅多結(jié)太陽能電池的演變及工作原理

基于鈣鈦礦的多結(jié)太陽能電池的能量產(chǎn)出評估