北京
卤化铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）是极具发展潜力的新一代光伏器件，但铅元素的毒性问题严重制约了其规模化与可持续发展。无铅钙钛矿材料虽然在电子结构与带隙特征上与传统铅基钙钛矿存在差异，但其兼具优异的光电性能与良好的稳定性，是新一代光伏技术极具竞争力的替代体系。针对无铅钙钛矿光伏材料的多元化发展现状，中国地质大学陈克强、李国岗等人系统综述了各类无铅替代体系，包括铅位等价 / 异价掺杂改性钙钛矿、硫族化合物基类钙钛矿以及无金属有机钙钛矿，重点总结了通过协同材料设计与器件结构优化提升光电转换效率（PCE）的最新研究进展。
当前无铅钙钛矿电池的研发已从简单的铅元素替换，转向效率、稳定性与环境可持续性的一体化协同优化。在众多无铅体系中，锡基钙钛矿是高性能无铅光伏最具前景的材料之一，现有研究已实现小面积器件近 18% 的光电转换效率，第三方认证效率突破 17%。但锡基器件的性能评价需结合器件面积、测试规范、稳态输出、外量子效率（EQE）验证及长期工作稳定性综合判定，其制备重复性与大面积量产难题仍未彻底攻克。同时，二价锡氧化与本征空位自掺杂的共存问题，会诱发电压损耗与器件性能衰减，严重限制其光电性能上限。目前主要通过化学稳定调控、缺陷精准修饰与界面工程策略协同改善薄膜质量，提升膜层均匀性并抑制非辐射复合损耗。
相较于锡基体系，异价双钙钛矿具有化学稳定性高、毒性更低的优势，但普遍存在间接带隙、载流子迁移率低、成膜质量差等本征缺陷，制约器件性能提升。突破上述瓶颈需要精准调控晶格对称性、轨道杂化行为与缺陷态分布，并进一步优化制备工艺与器件结构。硫族化物、无金属有机钙钛矿等新兴体系极大丰富了无铅光伏材料种类，但整体研究仍处于初步探索阶段，在材料合成、载流子输运及器件集成方面仍存在诸多技术难题。高通量计算、机器学习与原位表征等多学科交叉技术，可为新型无铅钙钛矿的快速筛选、失效机理解析提供重要支撑。
本文通过横向对比不同无铅材料体系的电子结构、缺陷容忍特性、光伏性能及可持续发展特性，明确了各类材料的优势与短板，揭示了铅基与无铅钙钛矿电池产生性能差距的深层机制，为后续高性能光伏材料的筛选与设计提供理论指导，同时展望了突破现有效率与稳定性瓶颈的多学科优化思路。
在应用层面，无铅钙钛矿凭借可调带隙与低毒特性，在室内光伏、叠层电池、柔性及可穿戴光电器件领域展现出广阔应用前景。但能级匹配失衡、界面复合严重、长期工作稳定性不足等问题，仍是其产业化落地的主要阻碍。为此，后续研究需引入碳足迹、累计能耗、能源回收周期、资源利用率与报废回收效率等生命周期评价（LCA）量化体系，客观评估无铅光伏技术的综合可持续性，避免因效率偏低、寿命较短、制备能耗较高等短板抵消其低毒优势。
总体而言，无铅钙钛矿光伏技术的长足发展，需要依托材料化学、器件物理与绿色可持续设计的多维度协同优化，为开发更安全、可规模化量产的新一代光伏器件奠定坚实基础。
文献信息
Improvingtheperformanceoflead-freeperovskitesolarcells
WanyingZhang,GuogangLi&KeqiangChen
https://www.nature.com/articles/s43246-026-01277-9
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