研究背景
由于低成本和高效率的优势，钙钛矿（PVK）太阳能电池（PSC）发展迅速，每年都有许多关键发现被报道。对有关键进展的研究论文进行系统的年度综述，对于研究人员了解PSC研究的最新进展以及指导未来的相关研究至关重要。本综述全面总结了2023年PSC的最新进展，深入了解了PSC的当前研究趋势，并为该领域的未来研究进行了展望。
关键词：
钙钛矿太阳能电池，正式结构，反式结构，叠层，模组，稳定性，铅毒性与绿色溶剂
将2023年PSC年度研究进展以正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、钙钛矿基叠层太阳能电池（TSC）、钙钛矿太阳能模组（PSM）、器件稳定性、铅毒性与绿色溶剂六个模块进行分类，并对本综述中涉及的关键进展的论文期刊和分类数量进行系统的统计（图1和2）。
图1 本综述中使用的PSC相关论文期刊统计图
图2 本综述中使用的2023年发表的六大分类相关论文统计图
分类详细介绍了正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件稳定性、铅毒性与绿色溶剂六大分类在2023年的研究进展（图3）。
图3 本综述中六大分类的示意图
对PSC未来的研究进行了分类的展望
内容导读
01
正式n-i-p钙钛矿太阳能电池
正式n-i-p钙钛矿太阳能电池的效率在过去一年中不断提高。图4显示了2023年正式PSC的代表性进展。这些研究主要集中在钙钛矿的晶体调控、电荷传输层的优化和界面性质的改善，从而进一步提高PSC的认证效率至25.8%，证明了n-i-p结构的强劲竞争力。本节从电子传输层和埋底界面、钙钛矿膜管理和表面改性的角度介绍了基于有机-无机、无机、和Sn基钙钛矿的正式n-i-p PSC的年度进展。
图4 2023年正式n-i-p PSC的代表性进展
02
反式p-i-n钙钛矿太阳能电池
与正式PSC相比，反式p-i-n PSC（IPSCs）由于其优异的稳定性、可忽略的滞后性和低温制造的优势，使其更具商业化潜力。得益于研究人员的不懈努力，2023年IPSCs的最高认证效率达到了25.8%（图5），这与正式PSC基本相当。在本节中，我们将分类介绍2023年IPSC的年度进展，包含有机-无机、无机、Sn基、2D、单晶等钙钛矿材料以及柔性器件。
图5 2023年IPSC的代表性进展
03
钙钛矿基叠层太阳能电池
TSC包含一个以上具有不同带隙的光吸收层。双结TSC具有宽带隙光吸收材料的顶部电池和窄带隙光吸收材料的底部电池。顶部电池吸收短波长光，而底部电池吸收长波长光。这种配置减少了短波长光的能量损失，同时保持了宽的光采集范围，从而实现了更高的PCE。TSC有两种类型：两端子（2T）和四端子（4T）（图6(a)和(b)）。在本节中，讨论了基于PVK的TSCs的主要进展，包括PVK/硅、PVK/PVK、PVK/有机和PVK/CIGS TSCs。PVK易于调节的带隙使其成为TSC的理想选择。图6(c)显示了2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的时间表。在新材料和制造方法进步的推动下，2023年，基于PVK的TSC的光电转换效率（PCE）显著提高。此外，总结了2023年不同类型TSC的代表性高效率研究结果，包括器件结构和光伏参数，如表1和表2所示。
图6 (a) 两端子和 (b) 四端子TSC的结构示意图；(c) 2023年基于PVK的TSC里程碑式效率的时间表
表1 2023年PVK基TSC的器件结构和光伏性能总结
表2 2023年四端PVK基TSC的光伏性能总结
04
钙钛矿太阳能电池模组
PSC的快速发展使其成为最有前景的新兴光伏技术。在实验室规模的小面积PSC中，它们在效率和稳定性方面取得了显著进展。然而，PSC必须升级到模块规模，才能成功地向商业化过渡。在过去的研究中，研究人员已经提出了几种可扩展的制造方法来制造PSM。在这一节，简要总结了PSM可扩展制造在2023年的进展，包含刮刀涂覆（图7）、缝模涂布（图8）、喷涂法（图9(a-c)）、喷墨打印法（图9(d-f)）、丝网印刷法（图9(g-h)）和气相沉积（图10）。
图7 2023年刮刀涂覆法制备PSM代表性研究
图8 2023年缝模涂布法制备PSM代表性研究
图9 2023年 (a-c) 喷涂法、(d-f) 喷墨打印法、(g-h) 丝网印刷法制备PSM代表性研究
图10 2023年气相沉积制备PSM代表性研究
05
器件稳定性
由于其固有的化学性质和器件结构，PSC在湿度、温度和光照等环境压力下不稳定。这些不稳定性阻碍了钙钛矿光伏的商业化。与晶体硅光伏器件和电池板类似，钙钛矿太阳能电池板在进入能源市场之前必须满足IEC61215:2016认证测试的稳定性标准，即在85℃和85%相对湿度下同时连续运行1000小时。为了加速PSC的商业化，已经采用了多种方法来提高器件稳定性：钙钛矿成分优化、表面和界面钝化、载流子传输材料的分子设计、电极修饰、合理封装等方法。在本结中，介绍了2023年在湿度（图11）、热（图12）和光照浸泡（图13），和工作条件下（图14）提高器件稳定性的研究进展。同时，考虑到未来在空间和柔性电子器件中的应用，还简要描述器件对辐射和机械应力的稳定性。表3总结了2023年报道的稳定性研究进展，包含钙钛矿成分、器件结构、效率、稳定性测试条件、稳定性数据和稳定性提升的策略。此外，还提出了统一稳定性评估方法的期望（图15）。
图11 2023年PSC湿度稳定性代表性研究
图12 2023年PSC热稳定性代表性研究
图13 2023年PSC光照稳定性代表性研究
图14 2023年PSC工作条件下稳定性代表性研究
图15 钙钛矿材料降解示意图以及钙钛矿材料和器件性能的ISOS协议概述
表3 2023年器件稳定性研究进展表
06
铅毒性和绿色溶剂
在过去十年中，PSC的PCE和稳定性有了显著提高。然而，最先进的高效PSC是使用有毒材料制造的，如吸收剂中的铅和前体中的有害溶剂。为了防止环境问题并遵守环境法律法规，必须确保PSC在其整个生命周期中都是环保和无污染的。本节讨论了2023年在降低铅毒性（图16）和使用绿色溶剂（图17）生产PSC方面的主要进展。
图16 2023年PSC中降低铅毒性方面代表性研究
图17 2023年使用绿色溶剂生产PSC的代表性研究
总结与未来展望
在本综述中，2023年PSC的关键进展被全面总结为六类：正式n-i-p PSC、反式p-i-n PSC、TSC、PSM、器件稳定性、铅毒性与绿色溶剂。在这里，我们根据2023年的研究进展对未来的研究进行了分类和展望。
（1）正式n-i-p PSC：首先，通过适当的晶体生长控制策略制备具有更宽吸收范围的高质量FAPbI3 钙钛矿。其次，基于材料的结构特征，开发更适合钝化FAPbI3的新型钝化剂。第三，鉴于spiro-OMeTAD的吸湿性和高成本，有必要开发新型的空穴传输材料。
（2）反式p-i-n PSC：首先，与常规的n-i-p PSCs类似，通过适当的晶体生长控制策略制备高质量FAPbI3钙钛矿。其次，明年的另一个研究重点将是新型空穴传输材料的设计。例如，广泛用于高效IPSCs的SAM分子的界面机制仍需进一步研究，包括界面载流子动力学、与钙钛矿的相互作用以及SAM堆叠模式。此外，新型表征技术的发展对研究埋底界面的性质和进一步设计新型SAM分子具有重要意义。第三，考虑到与常规n-i-p PSCs的不同性质，开发更适合IPSCs的钙钛矿表面钝化剂对于进一步提高器件效率至关重要。
（3）TSC：目前，PVK基的TSC的PCE仍远低于理论极限。开发低损耗互连层并提高子电池的性能将进一步提高基于PVK基的TSC的PCE。
（4）PSM：要实现PSM的商业化，必须解决几个关键挑战，包括可扩展制造技术的进步、有助于在大面积上沉积高质量薄膜的钙钛矿前体油墨的配方，以及环保且具有成本效益的制备方法。
（5）器件稳定性：首先，应设计本征稳定的钙钛矿材料以满足商业要求，例如在不失去最佳带隙的情况下在FAPbI3中进行阳离子掺杂。其次，开发可靠的封装材料和技术对于保护PSC中敏感的钙钛矿和有机材料至关重要。第三，进一步统一不同应力条件下的稳定性评估方法，如ISOS-S（暗储存）、ISOS-L（光浸泡）、ISOS-O（室外）、ISOS-T（热循环）、ISOS-LT（光湿热循环），特别是室外条件，对于加快其商业化进程至关重要。
（6）铅毒性和绿色溶剂：未来的研究工作应侧重于研究具有高前体溶解度和优异基底润湿性的先进环保溶剂。此外，还需要进一步开发更全面的封装方法，通过内部和外部保护措施的结合，提高对水分、化学物质和铅的抵抗力，并增强解毒能力。
陈 炜
华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，博士生导师。2017年入选国家第三批中组部万人计划青年拔尖人才，2018年获得国家自然科学基金优秀青年科学基金资助。2015年获得国际上首个大面积（1 cm2）钙钛矿太阳能电池认证效率记录，写进Martin Green编纂的权威效率记录表。目前在钙钛矿太阳能电池领域已发表多篇重要论文，包括Science 2篇，Nature Energy 2篇，Science Advances 2篇，Nature Communications 2篇, Energy Environ. Sci. 2篇，Adv. Mater. 2篇，Adv. Energy Mater. 3篇，ACS Nano 1篇，Advanced Functional Materials 6篇等。陈炜教授截至目前的论文Google Scholar被引超过10000余次，H因子为55。
刘宗豪
华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，博士生导师。迄今，在国际专业类著名期刊发表SCI论文80余篇，其中以第一作者/通讯作者身份发表论文50余篇，包括Nature Energy 2篇、Science Advances 1篇, Nature Communications 2篇，Advanced Materials 2篇，Energy Environ. Sci. 3篇，Advanced Energy Materials 5篇，Advanced Functional Materials 7篇，ACS Nano 1篇，Nano Letters 1篇，Nano Energy 3篇等。目前，Google Scholar 引用7000余次，H指数41。
鲁建峰
武汉理工大学研究员，博士生导师。华中科技大学学士、博士，澳大利亚莫纳什大学博士后。长期从事半导体材料合成及其器件方面的研究，包括太阳能电池材料合成、半导体薄膜真空沉积和印刷、钙钛矿太阳能电池制备等。在Nature, Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等刊物上发表学术论文90余篇。
台启东
武汉大学工业科学研究院，研究员，博士生导师。其分别于2007、2012年在武汉大学获得学士和博士学位。其长期从事钙钛矿太阳能电池研究，并围绕钙钛矿光伏产业化应用面临的“高效、稳定、无毒以及低成本制备”等关键议题开展创新工作。累计发表SCI论文80余篇，其中第一/通讯作者论文近50篇，包括 Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等多篇本领域权威期刊。论文总引用超过6200次，H-因子为36。超过20篇论文单篇引用>100次，其中4篇单篇引用>400次。代表性工作被本领域权威专家发表于Science、Nature Reviews Materials、Nature Photonics、Chemical Reviews等顶尖期刊的综述多次正面评价。
张懿强
张懿强，郑州大学化学学院，教授，博导。主要从事低维钙钛矿材料设计、结构分析、性能表征以及大面积印刷制造光电器件。目前已发表SCI论文100余篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem等期刊发表学术论文50余篇，近五年SCI引用3000余次。申请中国发明专利8项，获授权专利5项。主持国家级、省部级科研项目8项，企业横向2项。兼任国际期刊Materials Futures和Journal of Energy Chemistry青年编委，获国家优秀自费留学生奖学金（驻美使馆）。
左传天
国家纳米科学中心副研究员。2018年在中国科学院国家纳米科学中心获得博士学位，获中国科学院院长奖，博士毕业后进入澳大利亚联邦科学与工业研究组织从事博士后研究（澳大利亚ACAP项目资助），2020年8月加入国家纳米科学中心担任特别研究助理，2022年11月被聘为副研究员，主要研究方向是钙钛矿太阳电池，在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. Bull.等期刊发表文章70余篇，总被引5000余次。承担国家重点研发计划（项目骨干）、国家自然科学基金等项目。获北京市自然科学二等奖。担任Materials Futures、Journal of Energy Chemistry、Nano-Micro Letters、DeCarbon、Journal of Semiconductors、EcoEnergy等期刊青年编委。
赵鹏君
研究员，博士生导师。入选国家引进海外高层次人才项目，2021年3月全职回国加入中国科学院新疆理化技术研究所。2015-2020年分别在韩国成均馆大学和澳大利亚墨尔本大学Prof.Andrew Holmes（前澳大利亚科学院主席）Laboratory从事博士后研究。主要从事钙钛矿基光伏材料与器件、温敏材料与器件研究。作为项目负责人主持国家自然科学基金、中国科学院装备研制项目（青年人才类）、新疆重点研发项目、新疆自然科学基金重点项目、新疆天池英才领军人才项目等，中国科学院西部交叉团队核心成员、新疆天山创新团队骨干成员。研究成果已发表学术论文80余篇，申请、授权国家发明专利10余项、申请美国发明专利一项。
姜 岩
北京理工大学教授，博士生导师，国家海外优青基金获得者。主要从事新一代低成本高性能薄膜太阳能电池的研发，致力于理解钙钛矿基太阳能电池光学、电学损失及失效机制，此外致力于解决钙钛矿基太阳能电池市场化过程中面临的技术挑战。迄今在Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett.等材料、能源领域国际知名杂志上已发表论文60余篇，其中8篇被ESI评选为高引用论文(前1%)，1篇被ESI评选为热点论文(前0.1%), 引用超过5000次。研究成果被Nature Energy、Science Daily、Scienmag、Nanowerk、phys.org等学术或科技媒体作为亮点工作专题评述，申请中国专利2项。主持欧盟Horizon 2020重点项目子课题、国家自然科学基金面上项目、广东省科技厅重点项目子课题等，担任工信部、国家自然科学基金委、广东省科技厅、瑞士战略聚焦领域-先进制造（SFA-AM）项目评审专家，担任Mater. Futures杂志青年编委。
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综述论文 || 制造高效、稳定和商业上可行的大面积有机太阳能电池的途径（韩国蔚山国立科学技术研究院Jin Young Kim团队）
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01
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02
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03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录，即时影响因子达10.9。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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