近日，中國科學院深圳先進技術研究院碳中和技術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威期刊Nature Reviews Clean Technology發表了題為 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的綜述性論文[]，系統總結了鈣鈦礦基多結太陽能電池的最新研究進展與未來發展方向。這一成果為推動新一代高效、低成本光伏技術提供了重要的理論依據和發展藍圖。
研究背景
光伏發電作為實現碳中和的重要能源技術，近年來發展迅速。然而，目前商用的硅基或鈣鈦礦單結電池效率已接近單結理論極限，進一步提升空間有限。多結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鍵路徑。
鈣鈦礦材料因其帶隙可調、制備成本低、工藝靈活等優勢，被廣泛應用于與硅或其他半導體疊層的多結光伏器件中。但與此同時，該領域仍面臨諸多挑戰，例如超寬帶隙鈣鈦礦在光照下易發生相分離，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展和規模化應用。
研究亮點與主要結論
該綜述全面梳理了近年來鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結太陽能電池的研究進展，并從材料設計、器件結構和應用潛力三個層面提出了深入分析與展望。
- 頂層電池優化：超寬帶隙鈣鈦礦是實現三結器件的關鍵，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，可有效改善結晶性，抑制鹵素離子遷移，從而提升開路電壓和穩定性。
- 中間層材料突破：理想的中間層帶隙應在1.40–1.50 eV之間。Pb–Sn混合鈣鈦礦以及純相FAPbI?等材料表現出良好的潛力，部分研究已實現接近理論值的電流匹配，推動了整體效率的提升。
- 硅底電池升級：作為光伏產業的主力，硅電池為疊層提供了堅實的基底。最新的TOPCon、硅異質結（SHJ）等技術與鈣鈦礦疊層結合，展現出更高的轉換效率和良好的穩定性。
- 互連層設計：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。通過優化透明導電氧化物（ITO、IZO）或超薄金屬層，能夠實現更高效的電荷輸運并減少寄生吸收。
模擬結果顯示，鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結電池的理論效率可達44.3%，比雙結電池的理論極限（39.5%）高出約5個百分點。在實際氣候條件下，該類三結器件的發電量比單結電池提升33–46%，比雙結電池高約8%，展現出巨大的應用潛力。
應用前景與意義
鈣鈦礦基多結太陽能電池憑借其優異的光電性能和低成本優勢，被視為最有希望與傳統硅光伏結合的下一代高效器件。本研究不僅全面總結了當前研究中的關鍵科學問題，也明確指出了未來的發展方向：
- 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合；
- 開發理想中間層材料：尋找穩定的窄帶隙鈣鈦礦以提升電流輸出；
- 提升器件穩定性：通過材料組分調控和封裝技術增強長期運行壽命；
- 推進規模化制備：探索低成本、兼容性強的大面積沉積工藝。
該綜述的發表，不僅為科研人員提供了系統性的研究框架和問題導向，也為產業界探索低成本、高效率的下一代光伏器件提供了技術路線圖。未來，鈣鈦礦多結太陽能電池有望在大規模清潔能源生產中發揮核心作用，助力“雙碳”目標的實現。
論文上線截圖，DOI: 10.1038/s44359-025-00103-8
鈣鈦礦-硅多結太陽能電池的演變及工作原理
基于鈣鈦礦的多結太陽能電池的能量產出評估
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