新型光伏技术焦点：钙钛矿太阳能电池面临的挑战与展望

近年来，减少化石能源依赖并推动经济可持续发展已成为全人类的共同课题。在诸多可再生能源技术中，太阳能因其资源丰富、分布广泛和环境友好等优势，被视为21世纪最具发展潜力的主导能源之一。

钙钛矿太阳能电池的正式结构和反式结构的示意图

钙钛矿太阳能电池作为新兴的光伏电池，自2009 年被首次报道以来，凭借其高能量转换效率、低成本、构型简单、易加工等优点引起了光伏研究领域的广泛关注。与传统硅基太阳能电池相比，钙钛矿材料具有制备工艺简单、材料来源丰富以及可溶液加工的特点，使其在降低成本和实现高性能光伏器件方面具有显著优势，在短短十余年间实现了从实验室探索到产业化试点的跨越。

柔性钙钛矿太阳能电池的应用场景示例

2009～2025 年，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从最初的3.8%迅速提升至27%以上，与传统晶硅太阳能电池接近，显示出巨大的应用潜力。同时，钙钛矿太阳能电池在柔性器件、半透明电池以及光电一体化系统中表现出独特优势。钙钛矿太阳能电池作为当前最具潜力的新型光伏技术，其产业化之路正从“技术突破”迈向“系统整合”，涵盖从材料、工艺、封装、回收，到产品设计、跨界融合等多个维度。

钙钛矿太阳能电池

面临的挑战与展望

目前，尽管钙钛矿太阳能电池取得了显著进展，但是其大规模商业化应用仍面临诸多挑战，包括材料稳定性问题、大面积制备难题、光电转换机制尚不清晰、环境与健康风险等。在国内外能源结构转型升级和“双碳”目标的大趋势下，钙钛矿太阳能电池的发展将迎来历史性机遇。为了更好地实现其商业化，针对钙钛矿太阳能电池面临的挑战，未来的发展应重点关注以下几个方面。

▋1. 进一步提升大面积钙钛矿太阳能电池的能量转换效率

钙钛矿单结太阳能电池理论效率约33%，钙钛矿双结叠层电池理论效率超过40%，钙钛矿太阳能电池的效率仍有较大的提升空间。尽管钙钛矿太阳能电池在实验室条件下能量转换效率超过27%，但是其大面积平米级组件的能量转换效率不足20%。未来通过界面工程、添加剂工程、器件结构优化、大面积薄膜均匀制备技术等策略，缩小实验室和产业化之间的效率差距，推进钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

大面积钙钛矿太阳能电池组件的制备步骤示意图

▋2.进一步提升钙钛矿太阳能电池的稳定性

钙钛矿太阳能电池暴露在大气环境下能量转换效率存在严重的衰减，紫外光照和温度等也会影响到钙钛矿太阳能电池的稳定性。因而，开发稳定性较高的钙钛矿材料和电子/空穴传输材料，寻找有效的器件封装技术，是钙钛矿太阳能电池稳定性提升的必要手段；另外，完善钙钛矿太阳能电池性能和寿命的评测标准，建设稳定性测试平台，为钙钛矿太阳能电池的产业化提供可靠的技术评估，是未来钙钛矿太阳能电池产业化推进迫切的需求。

▋3.加强理论研究

钙钛矿太阳能电池源于染料敏化太阳能电池，在短时间内取得的飞速发展和优异成绩，使得研究人员将更多的精力放在了如何改进薄膜的制备方法、提高材料的性能和器件的能量转换效率上面，对钙钛矿太阳能电池微观物理机理、材料的基本性质、工作机理的深层认识还非常欠缺。增强钙钛矿太阳能电池的理论研究，不仅可以进一步提高性能，而且也可以为寻找更简单、高效的新型结构提供思路。

▋4. 降低环境污染

常用的钙钛矿太阳能电池的吸光层中含有可溶性重金属铅，器件老化或损坏时，铅可能被释放，对环境和健康产生潜在影响。另外，在器件制备过程中还可能用到有毒性的有机溶剂，易对环境造成污染。因此开发无铅的钙钛矿太阳能电池和绿色溶剂的制备过程将成为未来研究的重点方向。

综上所述，钙钛矿太阳能电池在高效率、低成本和柔性应用等方面具有显著优势，但仍面临材料稳定性、环境安全、大面积制备和产业化等挑战。未来，通过材料创新、界面工程、器件优化和智能光伏系统集成，钙钛矿太阳能电池有望在低成本、高效率光伏领域发挥核心作用，为全球可持续绿色能源的发展提供有力支撑。

中国科学院大连化学物理研究所杨栋研究员等最新力作《钙钛矿光伏技术 ：材料、器件与产业化》立足于钙钛矿太阳能电池的材料科学、器件物理和工程技术，系统梳理其发展脉络与研究进展，并对核心科学问题与产业化挑战进行深入剖析。

钙钛矿光伏技术 ：材料、器件与产业化

杨 栋 等 编著

ISBN 978-7-03-084144-5

北京: 科学出版社, 2025. 12

本书首先介绍了钙钛矿材料的组成与分类，探讨阳离子、卤素及其混合策略对晶体结构、带隙调控和稳定性的影响。在薄膜制备方面，总结了溶液法和真空法相关的技术路径。在器件结构与界面工程部分，论述了电子传输层与空穴传输层的材料特性、能带匹配原则及界面缺陷钝化策略。另外，本书系统总结了热、湿和光照等因素对器件性能的影响机理，并介绍了国际标准（ISOS）的加速老化测试方法。在此基础上，讨论了封装材料与工艺、界面保护层、多阳离子及低毒/无铅材料等稳定性提升策略。针对柔性光伏与规模化制备需求，介绍了柔性基底、透明电极材料体系以及器件在机械应力下的性能演变机理，以及涂布、喷墨打印及卷对卷连续生产等工艺。最后，在产业化和未来发展方面，论述了全球大面积钙钛矿组件的最新进展和代表性企业的技术路线，展望了人工智能辅助材料筛选与器件预测以及钙钛矿在其他光电子领域的应用。

表 世界各国企业与机构技术路线以及产业布局

本书兼顾科学性与实用性，力求将复杂的理论机制与材料调控方法转化为结构清晰、内容翔实且可操作的知识体系，并通过丰富的实例与数据支撑，帮助读者建立从基础研究到工程实践的完整理解。无论是高等院校相关专业的研究生、从事光伏研究的科研人员，还是致力于钙钛矿太阳能电池研发与产业化的工程师，本书均可作为系统学习与技术参考的重要资料。我们期望本书的出版能够为相关领域的研究提供理论和技术支撑，为全球能源的可持续发展贡献力量。

本文摘编自《钙钛矿光伏技术 ：材料、器件与产业化》 （ 杨栋等编著. 北京: 科学出版社, 2025. 12）一书“第1 章 钙钛矿太阳能电池的发展概况”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-084144-5

责任编辑：李明楠 陈昭晴

本书概述了钙钛矿太阳能电池的工作原理和发展历程，对钙钛矿吸光材料的组成和分类、钙钛矿太阳能电池的结构和各层材料及制备工艺进行了系统的介绍，并对钙钛矿太阳能电池产业化发展现状进行了全面的总结。内容主要包括钙钛矿组分调控、钙钛矿薄膜的制备、器件结构和界面的设计、封装技术的开发和大面积制备工艺的优化。本书还结合当前最新研究成果与产业化进展，重点讨论了降解机制、环保问题及规模化应用的瓶颈与突破路径。

本书内容兼具科学性与实用性，适合高等院校、科研院所能源与新材料领域研究生及科研人员阅读参考，可作为研究生专业教材、企业研发团队技术培训手册或工程技术人员深入了解钙钛矿光伏前沿的参考读物。

（本文编辑：刘四旦）

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