光伏電池的發展與其制造材料的進步密不可分。本文深入分析了硅基、有機和鈣鈦礦太陽能電池的最新進展，這些材料處于光伏研究的前沿。我們審視了每類材料的獨特特性、優勢和局限性，重點探討它們對效率、穩定性和商業化可行性的貢獻。硅基電池因其持久影響和晶體結構創新被研究；有機光伏電池以柔性和低成本生產潛力見長；鈣鈦礦材料則因效率顯著提升和易制備性脫穎而出。論文還探討了材料穩定性、規模化生產及環境影響等挑戰，為這些材料技術的現狀與未來潛力提供了平衡視角。
光伏（PV）電池技術的歷程是人類智慧與追求可持續能源解決方案的見證。從早期太陽能探索到今日復雜系統，PV電池的演進以材料和制造工藝的突破性進步為標志。太陽能電池發展的初始階段以晶體硅的使用為特征，該材料因其成熟的效率和耐久性保持主導地位[1]。效率從1950年代的15%提升至現今近28%的水平，體現了太陽能電池性能的重大跨越。材料進步的意義不僅限于效率提升。在環境問題加劇和全球對可再生能源需求的背景下，太陽能成為希望的象征。過去十年太陽能發電成本顯著下降，直接源于材料進步、技術創新和面板效率提升[1]。追求新材料、新概念和創新方法以實現高效率和低成本，不僅是技術提升，更是讓太陽能成為全球更廣泛人群可行選擇的關鍵。
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圖1. （a）單面織構（SST）多晶硅氧（poly-SiOx）鈍化晶體硅（c-Si）太陽能電池，其頂部采用雙面織構（DST）基板并對稱摻雜n型多晶硅氧，底部采用雙面拋光（DSP）基板并對稱摻雜p型多晶硅氧；（b）雙面織構多晶硅氧鈍化c-Si太陽能電池，頂部和底部均采用DST基板，并分別對稱摻雜n型和p型多晶硅氧。“TO”指氧化銦錫。轉載自參考文獻[10]（版權2023年，《光伏研究與應用進展》），已獲許可。
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圖2. 采用厚度為170 μm和40 μm的n型晶圓結構的有效少數載流子壽命模型。這些晶圓具有以下特性：體相肖克利-讀-霍爾（SRH）壽命為10 ms，體電阻率為3.55 Ω·cm（對應摻雜濃度為1.3×10¹? cm?³），雙表面復合速度（J??）總和為1 fA/cm²。圖中通過不同曲線區分復合機制，并附有色條標注本征復合（包括俄歇和輻射過程）占比。黑色星號表示短路電壓下的最大電壓，黑色圓圈表示短路功率電壓。晶片的產生電流根據各自厚度的適當Lambertian光捕獲極限確定。此外，色條中的標記突出顯示了最大功率點和開路注入時的本征復合比例。轉載自參考文獻[15]（版權2020年，《材料化學A期刊》），已獲許可。
解析
1、技術要點：
*模型核心：通過厚度差異（170 μm vs. 40 μm）對比少數載流子壽命，體現晶圓厚度對光伏性能的影響。
*復合機制：明確區分SRH復合（主導非輻射復合）與本征復合（俄歇+輻射），并通過色條可視化其占比。
*性能指標：標注最大功率點（MPP）和開路電壓（Voc），直接關聯電池實際輸出特性。
2、數據價值：
*低表面復合速度（J??=1 fA/cm²）表明表面鈍化效果優異，是高效電池的關鍵。
*體電阻率與摻雜濃度的對應關系，揭示了材料電學特性的調控邏輯。
3、學術意義：
*該模型為優化n型晶圓設計（如減薄化、復合控制）提供了量化工具。
*光捕獲極限的引入，強調光學設計與電學性能的協同優化。
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圖3. 橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像展示：（a）純金字塔形織構硅表面；（b-i）覆蓋不同淀粉比例（0 wt%-10 wt%）的鈣鈦礦薄膜的同種金字塔織構硅表面。其中比例分別為（b）0 wt%、（c）1 wt%、（d）2 wt%、（e）3 wt%、（f）4 wt%、（g）5 wt%、（h）6 wt%、（i）10 wt%。轉載自參考文獻（版權2020年，《能源技術》），已獲許可。
解析
1、技術要點：
· 表面織構：金字塔形織構硅表面（a）通過SEM清晰呈現，其形貌特征顯著影響后續鈣鈦礦薄膜的覆蓋質量。
· 淀粉比例調控：淀粉作為添加劑（0-10 wt%），通過SEM圖像可觀察到其對鈣鈦礦薄膜均勻性及界面結合的動態影響，可能涉及晶粒生長抑制或成膜調控。
2、數據價值：
· 淀粉比例梯度（1 wt%-10 wt%）的對比實驗，為鈣鈦礦-硅疊層電池的界面優化提供量化依據。
· 0 wt%對照組（b）與高比例組（i）的SEM差異，可能揭示淀粉對薄膜缺陷（如針孔、裂紋）的修復作用。
3、學術意義：
· 該研究通過SEM原位表征，驗證了淀粉添加劑在工業紋理硅表面的適應性，為鈣鈦礦-硅疊層電池的規模化制備提供新思路。
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圖4. 提升有機光伏器件耐久性與性能的工藝流程示意圖。圖中展示了一個通過卷對卷（R2R）層壓封裝的多層太陽能電池結構，并標出兩個易發生分離的薄弱界面。通過機械剝離測試評估其機械可靠性后，對其中一個界面進行紫外-臭氧（UVO?）處理，從而改善粘附性、減少薄弱界面至一個，最終實現電池整體性能的提升。轉載自參考文獻（版權2018年，《ACS應用材料與界面》），已獲許可。
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1、技術核心：
· R2R層壓封裝：卷對卷工藝實現高效連續化生產，但多層結構易產生界面分離問題。
· 薄弱界面修復：UVO?處理通過表面氧化增強界面粘附力，減少機械失效風險。
2、創新點：
· 雙界面優化：僅處理單一界面即顯著提升整體穩定性，體現精準調控思路。
· 性能協同提升：機械可靠性（剝離測試）與光電性能同步優化，避免傳統封裝中的性能折衷。
3、行業意義：
該工藝為有機光伏器件的大規模制造提供了界面工程范例，尤其適用于柔性器件生產。
UVO?處理的低成本特性，契合光伏行業降本需求。
局限性：未明確UVO?處理對材料長期老化的影響，需結合加速老化測試驗證。
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圖5. 示意圖展示了水分和氧氣通過四種不同途徑滲透柔性封裝鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與有機光伏（OPV）器件的路徑，導致器件加速降解并縮短使用壽命。具體包括：（a）頂/底部屏障滲透（淺藍色箭頭與液滴表示）；（b）邊緣侵入（淺棕色液滴與箭頭表示）；（c）電接觸位點侵入（紫色液滴與箭頭表示）；（d）水分與氧氣脫氣（綠色液滴與箭頭表示）。轉載自參考文獻（版權2021年，《先進能源材料》），已獲許可。
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1、技術要點：
· 滲透路徑分類：
· 屏障滲透（a）：封裝材料本征缺陷導致的水氧擴散。
· 邊緣侵入（b）：封裝邊緣密封失效引發的側向滲透，是柔性器件主要失效模式之一。
· 電接觸位點（c）：電極與活性層界面處因材料熱膨脹系數差異形成的微裂縫。
· 脫氣效應（d）：封裝內部殘留水分在溫濕度變化下重新釋放。
2、行業意義：
· 該圖為柔性光伏器件的封裝優化提供了系統性失效分析框架，尤其針對鈣鈦礦電池的水氧敏感特性。
· 綠色箭頭（d）的提出，揭示了封裝材料選擇需兼顧阻隔性與低脫氣特性。
3、改進方向：
· 建議結合中界面化學分析方法，量化各路徑滲透速率。
· 可參考數據，驗證脫氣路徑的時效性。
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圖6. 圖像展示了：（a）溶液法和空氣環境全流程制備的半透明組件的電流-電壓（j-V）曲線；（b）該組件的實物照片。該模塊以玻璃/ITO為基底，由8個串聯電池組成，總有效面積為10.17 cm²，并包含背反射層結構。轉載自參考文獻（版權2023年，《Solar RRL》），已獲許可。
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1、技術特征：
· 制備工藝：采用溶液法在空氣環境中完成全流程制備，突破傳統光伏器件對惰性氣氛的依賴。
· 結構設計：串聯8個子電池的模塊化設計，結合背反射層（提升光捕獲效率）與半透明特性（適用于建筑光伏一體化應用）。
2、性能表征：
· j-V曲線（圖a）：反映組件在真實光照條件下的輸出特性，關鍵參數包括開路電壓（串聯疊加效應）、填充因子（界面損耗指標）等。
· 實物展示（圖b）：驗證溶液法工藝的可擴展性，玻璃/ITO基底確保透光率與導電性平衡。
3、行業意義：
· 該研究為低成本、環境友好型光伏技術提供新思路，尤其適用于對透光性有要求的場景（如溫室、幕墻）。
· 10.17 cm²的活性面積表明其已具備小模塊化應用潛力，下一步需解決大面積均勻性問題。
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圖7. 詳細闡述了基于鈣鈦礦的疊層太陽能電池與組件的研發及性能表現。（a）展示了疊層電池的結構設計與組成，突出使用了濺射氧化銦錫層（約15納米厚）和薄金膜（1-2納米厚）作為復合層，其中“NBG”和“WBG”分別代表窄帶隙和寬帶隙。（b）展示了高性能疊層器件在最大功率點下的電流-電壓（J-V）特性及持續五分鐘的功率轉換效率（見插圖）。（c）分析了上下子電池的外部量子效率（EQE）及其疊加效果（灰線表示），同時計算了整體吸收（1-反射率，黑線表示），并解釋了淺藍與深藍區域分別代表的寄生吸收和反射損耗對電流密度的影響。（d）以示意圖形式展示了互連的雙終端全鈣鈦礦疊層太陽能模塊（未按比例繪制），標注了有效區域和劃線區域，模塊各層顏色與疊層電池保持一致。I描述了模塊內單個疊層電池帶的J-V特性，包括填充因子及逐步納入分析時的變化。（f）詳細記錄了在連續AM 1.5G光照下模塊最大功率點的功率、電壓和電流。（g）展示了在氮氣環境中85℃溫度應力下，最大功率點的功率、電壓和電流的歸一化表現。前三個部分（a-c）針對疊層電池，后四部分（d-g）則聚焦于疊層模塊。轉載自參考文獻（版權2020年），已獲許可。
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1、技術亮點：
· 復合層設計：超薄金膜（1-2 nm）與ITO層的組合，實現高效電荷收集與低光學損耗。
· EQE分析：通過灰線與黑線的對比量化寄生損耗，為光譜匹配優化提供依據。
· 模塊化驗證：從單電池到模塊的J-V測試（圖I），驗證了規模化生產的可行性。
2、創新意義：
· 全鈣鈦礦體系：突破傳統硅基疊層的材料限制，實現全溶液工藝兼容。
· 溫度穩定性：85℃氮氣環境測試（圖g）證明其潛在商用價值。
3、改進方向：
· 需進一步降低寄生吸收（淺藍區域）以提升電流密度。
· 模塊劃線工藝的優化可減少有效面積損失。
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圖8. 溶液法制備鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的工藝方法包括：（a）旋涂技術，（b）電化學沉積法，（c）滴鑄法，（d）噴涂工藝，（e）吹干法，以及（f）刮涂技術。轉載自參考文獻（版權2022年，《RSC Advance》），已獲許可。
解析
1、技術方法對比：
· 旋涂法（a）：實驗室小面積制備（<1 cm²）的經典方法，但難以規模化。
· 電化學沉積（b）：可精確控制薄膜厚度，但設備復雜度高。
· 刮涂法（f）：適用于大面積制備（>100 cm²），是產業化主流方向。
2、創新意義：
· 噴涂與吹干法（d、e）：為柔性基底和空氣環境制備提供可能，如采用胍乙啶醋酸鹽抑制水合反應可實現25.08%效率的空氣制備電池。
· 滴鑄法（c）：工藝簡單但膜層均勻性差，需結合添加劑優化。
3、行業挑戰：
· 溶液法需解決結晶控制問題，如FAPbI?易生成非光活性黃相，需通過原位X射線衍射監控結晶過程。
· 規模化生產中，碘化物氧化（如I?→I?）會導致性能衰減，需添加還原劑（如苯肼鹽酸鹽）提升穩定性。
改進方向：建議結合氣相沉積法（如真空沉積FA?.?Cs?.?Pb(I?Br???)?）實現更高重復性，其全鈣鈦礦疊層電池效率可達24.1%。
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圖9. （a，b）鈣鈦礦太陽能電池的發展趨勢：（a）展示了不同尺寸電池的功率轉換效率（PCE）隨年份的變化；（b）呈現了不同制備方法下PCE與電池尺寸的關系。轉載自參考文獻（版權2020年，《Advanced Materials》），已獲許可。
解析
1、技術趨勢：
· 效率提升（圖a）：小面積電池（<0.1 cm²）實驗室效率已突破25%，而大面積模塊（>100 cm²）效率約20%，表明規模化制備仍為技術瓶頸。
· 尺寸效應（圖b）：旋涂法在1 cm²以下效率優勢顯著，而刮涂法在10 cm²以上更具潛力，印證“方法適配尺寸”的產業化規律。
2、行業啟示：
· 效率-尺寸平衡：需通過界面工程（如二維鈣鈦礦鈍化層）抑制大面積電池的缺陷累積，2023年報道的18.7%效率的30×30 cm²模塊驗證了這一路徑。
· 制備方法選擇：噴涂法（如氣溶膠噴涂）可能成為中等尺寸（10-50 cm²）的最優解，其兼具均勻性與設備兼容性。
3、未來方向：
· 需開發新型窄帶隙材料（如Sn-Pb鈣鈦礦）以匹配寬帶隙子電池，提升疊層器件理論效率至35%以上。
· 模塊級封裝技術（如原子層沉積Al?O?封裝）的突破將加速商業化進程。
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圖10. 全面概述了鈣鈦礦吸光層因外部環境影響導致的降解機制。轉載自參考文獻（版權2021年，《ACS Chemistry of Materials》），已獲許可。
解析
1、降解機制分類：
*濕度誘導降解：水分子滲透導致鈣鈦礦分解為PbI?和有機胺鹽，尤其在MAPbI?中更顯著。
*光熱協同效應：光照（尤其是UV）與高溫共同作用會加速離子遷移和相分離，如FAPbI?在85℃下易發生非活性相變。
*氧侵蝕：氧氣與鈣鈦礦界面反應生成超氧化物（如O??），破壞電荷傳輸層結構。
2、關鍵解決方案：
*二維鈣鈦礦鈍化：通過邊緣共享的有機-無機網絡抑制離子遷移，如苯乙胺碘（PEAI）修飾可將濕度穩定性提升至1000小時以上。
*封裝技術：原子層沉積Al?O?阻隔膜可使組件通過IEC 61215雙85測試（85℃/85%RH）。
3、研究前沿：
*石墨烯-聚合物復合增強技術能抵抗光機械應力，使器件在85℃強光下保持3670小時97%效率。
*界面工程（如六方氮化硼散熱層）可降低熱積累導致的晶格膨脹應力。
注：解析結合了2021年后（截至2025年）的穩定性突破，需注意原圖（2021年發表）未涵蓋最新進展。
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圖11. 全面概述了鈣鈦礦吸光層因外部環境影響導致的降解機制。轉載自參考文獻（版權2023年，《Advanced Theory and Simulations》），已獲許可。
解析
1、降解機制分類：
· 濕度誘導降解：水分子滲透導致鈣鈦礦分解為PbI?和有機胺鹽，尤其在MAPbI?中更顯著。
· 光熱協同效應：光照（尤其是UV）與高溫共同作用會加速離子遷移和相分離，如FAPbI?在85℃下易發生非活性相變。
· 氧侵蝕：氧氣與鈣鈦礦界面反應生成超氧化物（如O??），破壞電荷傳輸層結構。
2、關鍵解決方案：
· 二維鈣鈦礦鈍化：通過邊緣共享的有機-無機網絡抑制離子遷移，如苯乙胺碘（PEAI）修飾可將濕度穩定性提升至1000小時以上。
· 封裝技術：原子層沉積Al?O?阻隔膜可使組件通過IEC 61215雙85測試（85℃/85%RH）。
3、研究前沿：
石墨烯-聚合物復合增強技術能抵抗光機械應力，使器件在85℃強光下保持3670小時97%效率。
界面工程（如六方氮化硼散熱層）可降低熱積累導致的晶格膨脹應力。
注：解析結合了2021年后（截至2025年）的穩定性突破，需注意原圖（2023年發表）未涵蓋最新進展。
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圖12. 不同光伏材料達到S-Q理論極限（電壓與電流）的占比。圖中頂部和右側坐標軸箭頭分別代表通過優化光管理及增強載流子收集對電池效率的提升。"nso"指代依據S-Q模型可實現的最高效率。轉載自參考文獻（版權2016年，《Science》），已獲許可。
解析
1、S-Q極限意義
單結電池理論效率上限由Shockley-Queisser模型決定1，鈣鈦礦材料（帶隙1.55eV）理論效率為31%，但實際器件需考慮電壓/電流損失。
· 當前鈣鈦礦電池電壓損失約0.3V（效率損失8-10%），電流損失主要源于界面復合和光吸收不足。
2、效率提升路徑
· 光管理：通過光子晶體結構或陷光層設計可提升電流10-15%（如2025年報道的3670小時穩定性電池采用石墨烯增強結構）。
· 載流子收集：界面工程（如二維鈣鈦礦鈍化層）可將電壓損失降低至0.1V以下，效率提升5-8%。
3、技術對比
· 硅基電池已接近S-Q極限（>26%），而鈣鈦礦/硅疊層器件通過光譜分割理論突破至34.6%。
· 有機光伏材料（如P3HT）因載流子遷移率低，電流損失達40-50%，顯著低于S-Q極限。
4、標注說明
· "nso"應為"nso"（可能為排版錯誤），實際指代S-Q模型中的非輻射復合因子，2025年研究顯示鈣鈦礦該值已降至1.05（理想值為1）。
注：解析結合了2016年后（截至2025年）的技術進展，原圖（2016年發表）未涵蓋最新數據。
硅太陽能電池憑借高效率和穩定性主導市場，但成本優化仍需技術創新。有機電池以柔性生產和低成本潛力見長，卻受限于低效與易降解問題。鈣鈦礦電池作為新興技術，雖效率提升顯著，但穩定性不足及含鉛環境隱患亟待解決。應對挑戰需多維度突破：優化材料光吸收與電荷傳輸特性，開發高效環保制造工藝，并構建全生命周期可持續管理體系。唯有統籌材料創新、工程實踐與生態安全，方能推動太陽能技術實現高效、經濟與環境友好的協同發展，為全球能源轉型提供關鍵支撐。
這篇綜述的創新點主要體現在以下三個方面：
1、系統性對比分析：首次系統對比硅基、有機和鈣鈦礦三類主流光伏技術的性能-成本-環境三重維度，揭示不同技術路線的互補性與協同發展可能性。
2、全生命周期視角：突破傳統技術評估框架，提出從材料合成到回收處置的閉環可持續性評價體系，強調"環境足跡"與"技術性能"的平衡優化。
3、跨學科解決方案：倡導材料科學（新型光伏材料）、制造工程（卷對卷工藝）和環境工程（無害化處理）的深度融合，為光伏技術發展提供創新方法論。https://www.mdpi.com/1996-1944/17/5/1165
轉自《石墨烯研究》公眾號
