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來源：互聯網

鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cells），是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池。

2009年，日本科學家小島清（Kojima）等人制備了第一塊鈣鈦礦太陽能電池。2013年，鈣鈦礦被Science期刊評為了年度十大科學突破之一。后來瑞士Gr?tzel課題組將電池效率首次提升至15%。2015年，韓國Seok領導的課題組經過對材料的比例進行優化，制備出了效率達20.1%的太陽能電池。2017 年 2 月，杭州纖納光電制備了 15.2%轉換效率太陽能電池，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀錄。此后，分別在當年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉換效率實現了一年三破世界紀錄的佳績。2018年7月，他們又將鈣鈦礦小組件轉換效率提升至 17.9%，穩態輸出效率達 17.3%。2023年7月，中國科學技術大學的徐集賢教授團隊實現了26.1%的光電轉換效率。2024年10月，南京大學譚海仁教授團隊、仁爍光能（蘇州）有限公司制備的1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層太陽能電池穩態光電轉換效率達28.2%，刷新了該尺度全鈣鈦礦疊層太陽能電池的世界紀錄。2025年3月7日，華東理工大學科研團隊成功找到延長鈣鈦礦太陽能電池壽命的關鍵方法，相關成果已發表在國際頂級期刊《科學》（Science）。

基于光生伏特效應的鈣鈦礦太陽能電池屬于典型的三明治疊層結構，該結構由中間的鈣鈦礦吸光層，吸光層兩側的電子、空穴傳輸層與最外層兩側的電極組成。鈣鈦礦太陽能電池可以分為介孔型、平面型、無電子傳輸層型、無空穴傳輸層型等。

鈣鈦礦太陽能電池應用場景以光伏產業（BIPV、分布式電站和地面電站）和新能源汽車為主。該電池未來的方向主要包括提高鈣鈦礦電池的壽命、降低成本，注重環境友好性，防止鉛泄漏，提升大面積鈣鈦礦電池效率。

歷史沿革

2009年，日本的科學家小島清（Kojima）等人制備了第一塊鈣鈦礦太陽能電池。后來在2011年，韓國的Park課題組使用原位生長法，最后獲得了光電轉換效率為6.54%的鈣鈦礦太陽能電池。次年，韓國Park課題組與瑞士的Gratzel課題組首次將電池效率提升至9.7%。同年，英國的Snaith課題組首次在鈣鈦礦活性層中添加了Cl元素，將鈣鈦礦太陽能電池效率提升至10.9%。

2013年，鈣鈦礦被Science期刊評為了年度十大科學突破之一，并且鈣鈦礦在當時被譽為“新一代太陽能電池材料”。后來Gr?tzel課題組首次采用兩步法的方法來沉積制備鈣鈦礦薄膜，最終將電池效率首次提升至15%。在2014年，韓國化學技術研究所（KRICT）的SangIlSeok課題組制備出認證效率為17.9%的鈣鈦礦電池，同年他們采用了一種新的液相沉積的制備工藝，最終光電轉換效率達到了20.1%。2015年，韓國Seok領導的課題組經過對材料的比例進行優化，制備出了效率達20.1%的太陽能電池。

在2016年時，韓國的蔚山科技大學(UNIST)聯合化學技術研究所，一起研究制備了效率高達22.1%的電池器件。2017年，Wu等人開發了一種添加劑輔助法。最終制備了效率達到19.19%的鈣鈦礦太陽能電池。

2018年，中國科學院半導體研究所的游經碧課題組提出了新的方法，首次把鈣鈦礦太陽能電池的效率提升至23.3%，不久后打破紀錄，達到23.7%，并且連續兩次被NREL發表的BestResearch-CellEfficiencies收錄。在2019年，韓國化學技術研究所Seok課題組利用溶液旋涂法，制備出的單結鈣鈦礦電池獲得了高達24.2%的光電轉換效率。此后不久，同一小組再次將鈣鈦礦太陽能電池的效率記錄刷新，獲得了最高的效率為26.08%，經過認證后效率為25.7%。

2024年10月，南京大學譚海仁教授團隊、仁爍光能（蘇州）有限公司制備的1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層太陽能電池穩態光電轉換效率達28.2%，刷新了該尺度全鈣鈦礦疊層太陽能電池的世界紀錄，相關結果已被收錄到國際權威的《太陽能電池效率表》。研究成果14日發表于國際學術期刊《自然》。此外譚海仁團隊在制備0.05平方厘米小面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池中接連取得突破，其光電轉換效率最高已達30.1%。

分類

鈣鈦礦太陽能電池可以分為介孔型、平面型、無電子傳輸層型、無空穴傳輸層型。

介孔型

介孔型鈣鈦礦太陽能電池由介孔結構的染料敏化電池演變而來，其中鹵化物鈣鈦礦取代了光敏染料。后來，人們為了解決液態電解質對鈣鈦礦材料的腐蝕，用固態空穴導體代替了液態電解質。這一發明引起了研究人員的極大關注，從而為其他器件結構的發展奠定了基礎。

介孔型鈣鈦礦太陽能電池一般由透明電極、電子傳輸層（ETL）、介孔層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層（HTL）以及背電極組成。介孔型鈣鈦礦太陽能電池的特點是使用一層金屬氧化物骨架層，這層骨架層不僅可以調節載流子的傳輸，還增加鈣鈦礦材料的受光面積，促進鈣鈦礦更好的結晶，減少電子傳輸層和空穴傳輸層的界面復合，從而提升了鈣鈦礦太陽能電池的 PCE。

平面型

平面型鈣鈦礦太陽能電池結構與介孔型類似，只是去掉了介孔層。介孔層通常需要高溫燒結除去有機化合物，因此制備工藝較為復雜，并且不利于發展柔性鈣鈦礦太陽能電池。平面型鈣鈦礦太陽能電池制備工藝簡單。

平面型鈣鈦礦太陽能電池有正置型和倒置型兩種結構，又稱為平面 n-i-p 型和平面 p-i-n 型，這兩種電池類型主要區別是傳輸層的材料和位置。在正置的太陽能電池中，通過燒結，將 n 型金屬氧化物沉積在導電玻璃基底上，金屬氧化物層通常為 TiO2、SnO2 等，主要功能是收集電子同時阻擋空穴。這層金屬氧化物要求具有高透光率、高電子遷移率，以及化學穩定性良好。

空穴傳輸層材料通常使用 Spiro-OMeTAD，該層要求提高空穴收集率、阻擋鈣鈦礦層中的光生電子、沉積工藝不能對鈣鈦礦膜造成破壞。對于倒置型的鈣鈦礦太陽能電池，其傳輸層的相對位置與正置型不同，將 HTL 放在透明電極的頂部。倒置型空穴遷移率低于正置型，但同時，其低溫制備的可能性、在 HTL 中對摻雜劑的要求都好于正置型。此外，沉積在透明電極上的空穴傳輸層要有合適的帶隙以吸收太陽光，倒置型中常使用的空穴傳輸層材料有聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）、聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）等，常用的電子傳輸層材料有[6,6]-苯基-C61-異丁酸丁酯（pcbm）、富勒烯（C60）。

無電子傳輸層型

鈣鈦礦作為雙極半導體具有電子/空穴載流子遷移率快和擴散長度長的優點，因此鈣鈦礦本身或部分鈣鈦礦吸光層可以同時用作 ETL 和 HTL。Liu 等人制備了第一個無ETL 的 PSCs，該器件的最終效率為 13.5%，非常接近基于有 ZnO 的器件，最終證明了 ETL對于獲得優異的器件效率不是本質上必要的。電化學阻抗顯示，雖然去除 ZnO 會導致接觸電阻的直接增加，但表面復合顯著減少。Shi 等人制備了第一個無 ETL 的倒置型鈣鈦礦太陽能電池，其結構為 ITO/PEDOT:PSS/鈣鈦礦/鈦（Ti）/金（Au），其中 Ti 夾層隔離了鈣鈦礦層和 Au 層，因此確保了 Au 和鈣鈦礦之間的良好接觸，并大大增加了電池的分流電阻器。由于與鈣鈦礦直接接觸的 Ti/Au 在空氣中長期沒有反應，并且為鈣鈦礦層和 PEDOT:PSS 層提供保護，避免被濕氣影響，因此提高了器件的穩定性。但是該器件的開路電壓較低，可能是鈣鈦礦和 PEDOT:PSS 能級不匹配所導致的。

無傳輸層型

由于常用的空穴傳輸層材料都比較昂貴，因此，無空穴傳輸層可以節約成本，同時還可以簡化器件的制備工藝。在正置型的電池中，將金屬電極直接沉積在鈣鈦礦薄膜上來制備無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦層作為活性層的同時還傳輸空穴。但是，由于金屬電極會和 I-離子發生化學反應，故這類型的電池沒有引起研究者關注，第一個無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的 PCE 為 5.5%。有研究將金屬電極換成碳電極，但還未實現高 PCE的器件。2021 年，Lin 等人提出一種新的 n-CH3NH3PbI3/p-CH3NH3PbI3的同質結結構，使用太陽能電池電容模擬器分析了其作為器件的性能參數。在優化鈣鈦礦層的摻雜濃度、厚度值、載流子遷移率和缺陷密度的前提下，理論上該無空穴傳輸層的器件可以獲得 25.07%的 PCE。

工作原理

鈣鈦礦太陽能電池的工作原理是基于光生伏特效應。鈣鈦礦太陽能電池的工作過程包括載流子的產生、分離、傳輸和收集。當光照射到具有低激子結合能的鈣鈦礦光吸收層時，鈣鈦礦吸收能量大于帶隙的入射光子后產生激子，并迅速解離成自由電子和空穴。得益于長載流子擴散距離，這些自由載流子在復合前有效通過鈣鈦礦薄膜擴散到電荷傳輸層。理想情況下，鈣鈦礦／電荷傳輸層界面有利的能級排列，使得電子與空穴傳輸層有效地提取電子與空穴。在這個過程中，電子和空穴傳輸層分別起到阻擋空穴和電子的作用，形成能量勢壘抑制載流子復合。最后，載流子被背電極收集并經過負載外電路，形成光電流。

基本結構

鈣鈦礦太陽能電池屬于典型的三明治疊層結構，由中間的鈣鈦礦吸光層，電荷傳輸層與電極、導電玻璃組成。

鈣鈦礦吸光層

鈣鈦礦吸光層是器件的核心部分，負責吸收太陽光并產生電子和空穴對，由具有ABX3結構（其中A為一價大尺寸陽離子，B為二價小尺寸陽離子，X則一般為鹵族元素陰離子）的鈣鈦礦材料構成，對器件的性能與穩定性都起著決定性的作用。A、B和X的離子半徑會顯著影響鈣鈦礦材料的晶格結構，進而影響材料的表現。因此在評估鈣鈦礦材料的穩定性時，通常會采用通過離子半徑計算出的容忍因子??作為判別標準。典型的鈣鈦礦吸光層材料為甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3，可以簡寫為MAPbI3)或甲脒碘基鈣鈦礦（CH(NH2)2PbI3，可以簡寫為FAPbI3），但近年來也發展出了各種各具特點的新型鈣鈦礦材料：復合鈣鈦礦、無鉛鈣鈦礦、無機化合物鈣鈦礦和二維鈣鈦礦等。這些新型材料在禁帶寬度、穩定性、環境友好性方面都展示出了自己的優勢。

電荷傳輸層

電荷傳輸層又分電子傳輸層（Electrontransportlayer，ETL）和空穴傳輸層（Holetransportlayer，HTL），通常由具有較高載流子遷移率和透射率的有機半導體或金屬氧化物材料構成，分別位于吸光層的兩側，是該類器件的重要部分，起到電荷篩選的關鍵作用。對于空穴傳輸層，由于這一層主要的作用是通過能帶的選擇，在收集并傳輸空穴的同時，阻止電子在這一方向的傳輸，所以一般是由具有P型半導體性質的材料構成。而電子傳輸層則正相反，一般由N型半導體材料構成，負責電子的傳輸與空穴的阻擋。目前，電子傳輸層材料多為較為廉價的金屬氧化物，如二氧化鈦、二氧化錫和氧化鋅等。而空穴傳輸層則多為有機材料，如聚[雙(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺]（Poly[胺醚(4-phenyl)(2，4，6-trimethylphenyl)amine，PTAA）和2，2'，7，7'-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9'-螺二芴（2，2'，7，7'-Tetrakis[N，N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9，9'-spirobifluorene，Spiro-OMeTAD）等。這種選擇主要是出于對效率和價格的綜合考量。

電極

電極都是以具有良好導電性和化學穩定性的金屬材料作為原料，經過真空蒸鍍等方式制備的。光生電子和空穴分別在電子傳輸層和空穴傳輸層中被提取和傳輸，被電極收集。電極在器件中主要負責從傳輸層收集電子或空穴，并將它們導出到電路中，此外，也能將部分穿透了吸光層的入射光反射回吸光層，提升器件對光的利用率。具體來說，實驗室小規模器件制備往往選擇金、銀等電導率高、穩定性好的材料制作電極。而商業生產則會出于成本考量，選擇銀、鋁等成本更為低廉的材料制作電極。

導電玻璃

導電玻璃在器件中的作用有三點。首先，是作為電池的載體，起到物理支撐的作用；其次，是作為電池的前端部分，起到光入射窗口的作用；最后，它和電極一樣，起到負責從傳輸層收集電子或空穴，并將它們導出到電路中的電學作用。因此，導電玻璃往往是通過將導電率較高的涂層沉積在透光率較高的玻璃材料上制備的。在太陽能電池領域，應用最廣泛的導電涂層是摻的氧化錫（Fluorine-dopedtinoxide，FTO）和摻錫的氧化銦（銦dopedtinoxide，ITO），部分柔性器件中選擇用透明有機薄膜替代玻璃作為電池載體。在一些追求最大限度利用入射光的光操縱策略太陽能電池中，還會對導電玻璃進行一些特殊設計。這些特殊設計包括在玻璃的外表面增鍍用于增加透射率、降低反射率的微納結構光學薄膜，設計增強器件光捕獲能力的周期性納米圖案。

材料和工藝

原料

鈣鈦礦太陽能電池主要是利用鈣鈦礦材料。鈣鈦礦材料是具有與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結構的一類材料。

生產工藝

旋涂

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦材料可以采用多種方法進行制備。首先將鈣鈦礦原材料按照一定的比例配置成一種或兩種溶劑滴加于基底表面；然后利用基底高速旋轉產生的離心作用形成液態或半固態薄膜；最后加熱退火，形成結晶的鈣鈦礦薄膜材料。再將這種材料用于制作鈣鈦礦太陽能電池。

刮涂

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過刮涂法制備。刮涂法是一種成熟的高通量大面積薄膜制備方法。其采用涂布棒或刮刀使前驅體溶液鋪展；通過控制前驅體溶液的量，狹縫高度和涂布速度來確定薄膜的厚度。

狹縫擠出涂布

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過狹縫擠出涂布制備。狹縫擠出式涂布是一種應用廣泛，原料利用率高，兼容對輥印刷的低成本涂布技術，適用于鈣鈦礦和其它功能層的沉積。它的結構包括墨水腔、涂布頭和配套的注射泵。油墨從涂布頭的狹縫中流出，在表面張力作用下和基底之間形成彎月面。當基板相對涂布頭移動時，前驅體溶液便可鋪展于基底表面，薄膜厚度由狹縫高度，移動速度和前驅體濃度控制。

噴涂

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過噴涂制備。噴涂是一種適用于放大的低溫噴涂技術，包括超聲波噴涂、氣動噴涂和靜電噴涂技術。其已被應用于各種應用領域，包括各種功能薄膜和油漆的制備。它包括四個連續的階段，分別是液滴的產生、液滴向基底的運輸、液滴合并成濕膜以及干燥。

噴墨印刷

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過噴墨印刷制備。噴墨印刷技術由于其精準的墨滴控制系統以及可大面積生產的優勢被采用來制造高效率大面積的鈣鈦礦器件。在噴墨印刷鈣鈦礦器件中，通過優化油墨的溶劑和溶質來降低前驅體溶液中的形核率以及晶體析出速率，從而制備出高性能噴墨印刷鈣鈦礦太陽能器件。

絲網印刷

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過絲網印刷制備。絲網印刷是一種簡單，性價比高，圖案化精度高的快速印刷方式。它可以用低揮發性和高粘度的溶液或漿料在不同的基底（如塑料、玻璃或高粗糙度表面）印刷出銳利且厚度可調的圖像。

壓印

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過壓印制備。壓印是一種設備簡單，成本低廉，又有其獨特優勢的成熟技術，是對現有鈣鈦礦大面積工藝的有效補充。LiyuanHan等利用甲胺MAPbI3液體配位化合物的獨特特性，通過使用覆膜加壓將甲胺-MAPbI3液體絡合物鋪展于基底上，之后撤去壓力，在50℃的溫和條件下將覆蓋在薄膜表面的PI膜剝離。

氣相沉積

鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜可以通過氣相沉積制備。氣相沉積是一種無溶劑的過程，碘化鉛和有機碘化銨鹽在真空室中加熱汽化，利用石英晶體晶振片可以監測沉積速率和薄膜厚度。

特性

結構特性

鈣鈦礦一般具有ABX3結構，其中A是陽離子，一般是有機/無機化合物的一價陽離子，如甲銨根（CH3NH3+，簡稱為MA+）、甲脒離子（HC(NH2)2+，簡稱為FA+）以及子（Cs+）；B是二價陽離子，一般為Pb2+或Sn2+；X是鹵素陰離子，一般為I-、Br-和Cl-。晶體結構是八個[BX6]4-單元通過共享頂點的鹵族元素離子連接，構成十二面體，A位陽離子位于十二面體中心，通過范德華力與B-X框架連接。

光電特性

鈣鈦礦材料具有帶隙可調、高吸光系數(10cm)、平衡的電子和空穴遷移率、長載流子壽命和擴散長度(>1mm)、缺陷容忍度高等優異的光電特性，這主要得益于具有孤對電子的Pb離子引起的獨特結構。鈣鈦礦材料作為吸光層時具有極為優異的光學和電學性能。在光學方面，鈣鈦礦材料展現出了光吸收能力強、光譜響應范圍合適和弱光效率高的優點；在電學性能方面，鈣鈦礦材料也有著載流子遷移率高、擴散距離長和缺陷容忍度高等優點。

特點

優點

鈣鈦礦太陽電池還具有高效率，成本低，工藝簡單，以及可制備柔性、透明及疊層電池等一系列優點。

缺點

相比于傳統的太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池存在穩定性差的問題。極易因外界環境的變化而效率驟降，乃至失效分解。此外，鈣鈦礦電池還具有壽命短、大面積應用時的效率損失等痛點。

缺陷的影響

因溶液法局限性，多晶鈣鈦礦存在深能級和淺能級兩種缺陷，它們以不同方式影響鈣鈦礦太陽能電池：深能級缺陷顯著降低電池的介電性能和光電轉換效率；淺能級缺陷在電場作用下會通過晶界遷移并在界面聚集產生摻雜效應，導致局部能帶彎曲、遲滯、相分離，甚至引起鈣鈦礦或電極分解，影響器件穩定性。

回收

目前實現鈣鈦礦太陽能電池環境友好化主要通過實現嚴密封裝技術、回收再利用有毒元素、研發無鉛鈣鈦礦薄膜等方式。

鈣鈦礦太陽能電池在使用過程中，可能會由于強風、降雨、冰雹等自然原因發生損壞，導致鈣鈦礦薄膜中鉛等泄漏，污染環境。減少有毒元素暴露的一個可行的選擇是開發有效的封裝方法，通過防止與外界環境接觸和提高抗外界沖擊的機械強度來提高太陽能電池的運行穩定性，從而保持結構的完整性，以便在廢棄后完整回收。

降低鈣鈦礦太陽能電池中鉛危害的一個可行的選擇是在這些材料的壽命結束時回收這些有毒元素。使用由氯化膽堿(ChCl)和乙二醇(EG)組成的深共熔溶劑(DES)，采用電沉積的方法可以回收鈣鈦礦薄膜中99.8%的鉛，此方法無需使用揮發性有機溶劑和濃酸，與其他溶劑相比，對環境的影響大大減小。

發展趨勢

挑戰

為了將鈣鈦礦太陽能電池從實驗室研研究階段推向商業化應用，還必須確保其具有可靠的運行穩定性。目前鈣鈦礦光伏器件的壽命在標準老化條件下最多只能維持一年左右，遠遠低于硅基太陽能電池25年的使用壽命，這是其未來商業化應用的最大挑戰之一。如何兼顧安全性和轉換效果、鈣鈦礦太陽能電池的大規模連片生產、怎樣在兼顧能量轉換效率的同時減少重金屬鉛的利用都是當前鈣鈦礦太陽能電池制備的難點。

未來發展

未來努力的方向包括提高鈣鈦礦電池的壽命、降低成本，注重環境友好性，防止鉛泄漏。發展大面積鈣鈦礦電池效率。未來有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸，進一步提升高效、穩定的鈣鈦礦太陽電池。鈣鈦礦太陽能電池產業化發展潛力巨大。鈣鈦礦太陽能光伏標準專題組的成立有利于推進鈣鈦礦光伏電池標準化工作，填補鈣鈦礦光伏電池標準空白，完善鈣鈦礦光伏領域標準體系，助力鈣鈦礦光伏產業發展。之后，鈣鈦礦太陽能電池還會在各種場景下應用。

應用

鈣鈦礦太陽能電池應用場景以光伏產業（BIPV、分布式電站和地面電站）和新能源汽車為主。

光伏

從光伏產業角度來看，鈣鈦礦疊加晶硅的剛性組件較其他光伏技術優勢明顯，可被應用于分布式電站和地面光伏電站；而鈣鈦礦電池質量輕、厚度小、柔性大、半透明等優良特性使其同樣可被制成均勻柔和的透光、彩色玻璃柔性組件，將太陽能光伏組件的實用性與建筑設施的美學完美融合，有望成為BIPV（光伏建筑一體化）的最優解。國家能源局提出于2030年底試點地區黨政機關、公共建筑、工商業廠房、農村居民屋頂安裝光伏發電的比例分別達到50%、40%、30%、20%，這一政策或將推動BIPV成為鈣鈦礦的最佳產業化路徑之一。

新能源汽車

從新能源車角度來看，將鈣鈦礦電池應用于汽車太陽能車頂可提供更高的光電轉化效率，從而縮短充電時間并增加續航。據仁爍光能測算，若新能源汽車頂棚全部替換為鈣鈦礦光伏玻璃，面積以2平方米計算，每日發電量可提升40-60公里的行駛里程。

安全事宜

鈣鈦礦太陽能電池含有鉛元素，鉛具有高毒性，有毒元素鉛在太陽能光伏電池板中所占的質量不到1%，但是在電池制備、應用和回收的生命周期過程中如沒有采取有效手段，含鉛物質可能會進入土壤、地下水等。受到鉛污染的土壤或水在生態系統中很難得到降解，其對環境的影響具有長期性破壞，鉛進入人體血液循環系統造成的血鉛將影響人的智力對身體健康造成極其嚴重的影響;血鉛濃度過高還可能使人的免疫系統、神經系統、生殖系統、心血管系統等機能下降嚴重者甚至可能死亡。鈣鈦礦太陽能電池主要通過實現嚴密封裝技術、回收再利用有毒元素、研發無鉛鈣鈦礦薄膜等方式降低毒害。

研究進展

2022年8月2日消息，中國科學院半導體研究所科研團隊通過引入少量氯化銣，同時實現了鈣鈦礦太陽能電池的高光電轉換效率和高穩定性，研制出的單結鈣鈦礦太陽能電池達到公開發表的世界最高效率。

中國科學技術大學徐集賢教授團隊與合作者，針對鈣鈦礦太陽能電池中長期普遍存在的“鈍化—傳輸”矛盾問題，提出了一種命名為PIC（多孔絕緣接觸）的新型結構和突破方案，實現了p-i-n反式結構器件穩態認證效率的世界紀錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現了普遍的適用性。相關研究成果于2023年2月17日發表在《科學》雜志上。2023年7月，中國科學技術大學的徐集賢教授團隊實現了26.1%的光電轉換效率，是截止到2023年最高的單結鈣鈦礦太陽能電池認證效率。2023年，韓國的seok團隊通過用揮發性烷基氯化胺（RAC1）控制FAPbI3鈣鈦礦層的結晶，器件認證光電轉換效率達到了25.73％。

2024年，清華大學碳中和研究院新型電力系統研究中心、電機系易陳誼研究員團隊通過開發新的空穴傳輸材料結合真空蒸鍍鈣鈦礦薄膜實現了26.41%的鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率紀錄。

2025年3月7日，華東理工大學科研團隊成功找到延長鈣鈦礦太陽能電池壽命的關鍵方法，相關成果已發表在國際頂級期刊《科學》（Science）。研究發現，鈣鈦礦材料在陽光照射下會像氣球一樣反復膨脹收縮，時間一長就會“內傷”破裂。這種材料遇光會膨脹超過1%，內部晶體相互擠壓產生破壞力，就像反復折疊的紙最終會斷裂一樣?？蒲腥藛T用世界上最堅硬的材料之一石墨烯，加上特殊透明塑料，制成只有頭發絲萬分之一的超薄保護層。實驗證明，這層“防護服”能讓材料抗壓能力翻倍，把膨脹幅度從0.31%降到0.08%，就像給易碎品加了抗震包裝。經過嚴格測試，裝上這種保護層的太陽能電池創下新紀錄：在模擬日常使用的強光高溫環境下，持續工作3670小時（約153天）后，仍能保持97%的發電效率。這是目前同類電池中最長的穩定工作時間。研究團隊透露，該技術已開始與企業合作試驗。一旦量產，將帶來革命性變化：建筑外墻的發電玻璃、可折疊的戶外充電毯甚至給手機充電的太陽膜都可能成為現實。

2025年4月，中國科學院寧波材料技術與工程研究所旗下硅基太陽能及寬禁帶半導體團隊在葉繼春研究員的帶領下，在前期鈣鈦礦疊層太陽電池研究的基礎上，在高效鈣鈦礦/銅銦鎵硒（CIGS）疊層電池領域取得了新進展。該團隊在1.09平方厘米器件上實現了23.8%的認證光電轉換效率，刷新該類型電池的世界紀錄。相關成果于4月18日發表在《自然?能源》上。團隊開發了一種反溶劑種子層策略，解耦SAMs吸附與溶解過程，并同步整合鈣鈦礦晶種誘導生長。其中在溶解過程中，高極性溶劑可抑制SAMs中團簇，在吸附過程中，低極性反溶劑可為SAMs吸附提供良好的熱力學環境。通過引入預混晶種層，可提升鈣鈦礦的潤濕性、結晶質量和界面粘附力。最終實現了1平方厘米認證效率為23.8%的柔性鈣鈦礦/CIGS疊層太陽電池，在連續工作320小時后仍保持90%以上初始性能，并可在1厘米彎曲半徑下耐受3000次彎折循環。

2026年2月，中國科學院青島生物能源與過程研究所、太陽能光電轉化與利用全國重點實驗室聯合香港科技大學的研究團隊在國際學術期刊《自然-合成》發表一項關于鈣鈦礦太陽能電池埋底界面工程領域的研究成果。研究團隊首創了一種名為“晶體-溶劑化物預晶種”（CSV）的通用性調控方法。該方法的核心在于，預先在基底上沉積一層特殊設計的低維鹵化物溶劑化物晶體作為“晶種”。這一策略就像為鈣鈦礦薄膜的生長提前搭建了“引導支架”。通過這一協同機制，研究人員成功在鈣鈦礦薄膜底部構筑了致密、平整、結晶取向更佳的高質量活性層，從根本上消除了常見的埋底界面孔洞和深晶界等缺陷。為了驗證該策略的產業化潛力，團隊進一步將其與適合大規模生產的“狹縫涂布”工藝相結合，成功制備出入光面積達49.91平方厘米的鈣鈦礦太陽能微型組件，并獲得了23.15%的認證效率，其從實驗室小電池到較大面積組件的效率損失率極低（小于3%），展現了卓越的工藝放大能力和均勻性控制水平。這項研究為攻克反式，反式－己二烯二酸鈣鈦礦太陽能電池的界面瓶頸提供了一個高效、通用的解決方案，其提出的“晶體溶劑化物預晶種”概念更是一個強大的材料平臺，可通過改變組分衍生出多種功能化“晶種”，為鈣鈦礦乃至其他新型軟物質半導體光電器件的精密制造開辟了全新的技術路徑。

參考資料 >

這種第三代太陽能電池轉化效率創造出世界紀錄!中國科學家在《科學》正刊發文.騰訊網.2024-03-05

鈣鈦礦太陽電池綜述.物理學報.2024-03-20

我科學家研發新材料實現太陽能轉化率世界領先.國家能源局.2025-05-30

鈣鈦礦組件轉換率四破世界紀錄.人民網.2025-05-30

破世界紀錄!我國在太陽能電池領域取得新突破.百家號.2024-10-19

請完成下方驗證后繼續操作.百家號.2025-03-07

36氪研究院 | 2023年中國新能源之鈣鈦礦電池產業洞察報告.騰訊網.2024-03-13

鈣鈦礦的前世今生:從烏拉爾山脈里走出，到一種新型光伏電池.澎湃新聞.2024-03-13

高效率低成本的鈣鈦礦電池會是光伏領域的顛覆者嗎?.澎湃新聞.2024-03-20

一文讀懂|鈣鈦礦電池主流技術路線、薄膜制備、三大痛點.澎湃新聞.2024-03-20

第三代光伏電池有望實現突破.安徽省經濟和信息化廳.2024-03-20