钙钛矿太阳能电池（PSC）因高效率（实验室PCE超25%）、低成本及优异光学特性成为光伏领域焦点。其维度多样性（0D至3D）与混合集成策略为平衡效率与稳定性提供了新方向。
 
‌0D结构‌：全无机CsPbBr3的性能依赖3D向0D（Cs4PbBr6）的相控制，避免0D相可提升性能。0D有机-无机杂化材料（如MA4PbX6·2H2O）经热退火可转化为3D相，且MABI基器件在Au接触下表现出低迟滞和高稳定性。
‌1D结构‌：1D钙钛矿（如纳米棒、纳米线）通过钝化表面缺陷、改善结晶度，显著增强稳定性。例如，添加CBAH构建1D纳米棒覆盖层，或利用1D-PNWs钝化晶界，均能提升器件性能。
‌2D结构‌：准2D钙钛矿因环境稳定性突出而受关注。添加NH4SCN、优化薄膜垂直取向，或引入甲脒阳离子结合组分工程，可同时改善稳定性和效率，推动商业化进程。
‌3D结构‌：界面缺陷导致的载流子复合是效率瓶颈。双面钝化（如大体积有机阳离子基卤化物）可抑制缺陷，提升性能。此外，无铅钙钛矿（如en-FASnI3）在环保与效率间寻求突破。
‌混合维度集成‌：3D钙钛矿的稳定性不足是产业化难题。混合维度设计通过引入长链有机阳离子或整合不同维度优势（如0D/3D、1D/3D），在保持高效率的同时增强稳定性，成为研究热点。
 
 
Fig. 1 钙钛矿太阳能电池的维度多样性及混合维度集成潜力概览。本图系统总结了钙钛矿太阳能电池（PSC）中不同维度（0D、1D、2D、3D）的结构特性及其协同集成策略：‌0D结构‌（如量子点、孤立八面体单元）：优势：高缺陷容忍度、可调光学带隙。挑战：相分离、载流子传输受限。应用：作为3D钙钛矿表面钝化层或光吸收增强组分。‌1D结构‌（纳米线、纳米棒）：优势：一维载流子传输路径、晶界钝化能力。策略：通过添加剂（如CBAH）定向生长1D覆盖层，减少界面复合。‌2D结构‌（层状钙钛矿、Ruddlesden-Popper相）：优势：优异环境稳定性、各向异性电荷传输。设计：垂直取向薄膜优化载流子提取，引入甲脒阳离子提升吸光效率。‌3D结构‌（传统块体钙钛矿）：优势：高载流子迁移率、成熟制备工艺。瓶颈：界面缺陷导致非辐射复合，湿度/热稳定性不足。‌混合维度集成‌（如0D/3D、1D/3D、2D/3D）：协同效应：结合高稳定性（低维）与高效电荷传输（3D）。实例：2D/3D异质结钝化界面缺陷，1D纳米线增强3D薄膜机械韧性。目标：平衡效率-稳定性矛盾，推动产业化应用。
‌说明‌：图中可标注关键参数（如各维度对应的典型PCE、稳定性数据）。箭头或连线可示意维度间集成路径（如相转化、外延生长）。对比色块可突出不同维度的性能优劣势（如红色-挑战，绿色-优势）。如需进一步细化图示元素或补充数据关联，请提供具体设计要求。


 
‌Fig. 2 钙钛矿太阳能电池材料设计与性能优化。本图系统展示多种钙钛矿材料的结构设计、性能调控及其稳定性提升策略：‌（a-g）全无机CsPbBr3电池的相调控与界面工程。‌（a）‌ 多步法制备流程示意图，通过相控制优化CsPbBr3结晶质量。‌（b）‌ 含Cs4PbBr6相（橙色曲线）与纯CsPbBr3（蓝色曲线）的J-V曲线对比，0D相Cs4PbBr6导致载流子复合加剧（‌c‌），降低填充因子。‌（d-e）‌ ReSe2修饰的全无机CsPbBr3电池结构及能级匹配设计，ReSe2层增强载流子提取（‌f‌）。含ReSe2器件效率（‌g‌）提升20%，且稳定性显著优于对照组。‌（h-k）有机-无机杂化钙钛矿的热处理效应。‌（h）‌ MA4PbI6·2H2O（0D，左）经100℃退火转化为3D MAPbI3（右），晶体结构重组消除水合缺陷。‌（i）‌ 退火后样品（红色曲线）吸光度显著提升，冷却后（蓝色虚线）维持高光吸收特性。‌（j-k）‌ MABI基器件在Au电极（红色）下展示低迟滞J-V曲线（‌j‌），且1500小时老化后PCE保持初始值90%（‌k‌），远优于Ag电极（黑色）。‌（l-m）无铅钙钛矿材料探索
‌（l）‌ (CH3NH3)3Bi2I9吸收层能级与真空能级对齐示意图，优化载流子传输路径。‌（m）‌ Bi基器件（蓝色曲线）在光照下实现0.42% PCE，验证无铅钙钛矿可行性，但效率仍需提升。‌数据来源‌：‌（a-g）‌ 引自：Wiley, 2022 (Ref. 60)；
‌（h-i）‌ 引自：ACS, 2021 (Ref. 61)；‌（j-k）‌ 引自：RSC, 2017 (Ref. 83)；
‌（l-m）‌ 引自：Elsevier, 2016 (Ref. 63)。‌关键结论‌：‌相控制‌：抑制0D相（如Cs4PbBr6）可减少复合损失，ReSe2界面修饰提升载流子动力学。‌热退火‌：促使0D→3D结构转化，消除水合缺陷并增强光学性能。‌电极匹配‌：Au电极与MABI材料兼容性更优，显著延缓器件衰减。‌无铅化‌：Bi基材料展现环保潜力，但需突破效率瓶颈。


 
Fig. 3 钙钛矿太阳能电池的器件结构优化与稳定性提升策略。本图通过不同界面修饰、制备工艺及低维材料集成策略，系统探究钙钛矿太阳能电池（PSC）的光电性能与稳定性优化：‌（a-e）界面工程与稳定性分析‌（a）‌ 器件结构示意图（ITO/SnO2/钙钛矿/spiro-OMeTAD），‌（b）‌ 截面SEM显示各层均匀致密。‌（c）‌ CBAH处理后的器件（红色曲线）J-V特性显著提升，填充因子（FF）由75%增至82%。‌（d）‌ 55个器件的开路电压（Voc）统计表明，CBAH处理组Voc标准差降低至15 mV，界面均匀性改善。‌（e）‌ 未封装器件（蓝色）在湿热（85% RH, 25°C）下24小时内效率衰减60%，而CBAH处理组（红色）保持初始效率90%以上。

‌（f-i）两步旋涂工艺优化；‌（f）‌ 两步旋涂法制备钙钛矿层的工艺示意图，‌（g）‌ 反向扫描J-V曲线显示UTP 5器件（红色）PCE达22.3%。‌（h）‌ 最优器件正反扫迟滞效应显著降低（效率差值<0.5%），‌（i）‌ 统计30个器件PCE，UTP 5组平均效率（21.8±0.5%）远高于对照组（19.5±1.2%）。‌（j-l）低维材料增强稳定性；‌（j）‌ 碘化铅量子线（1D结构）的TEM图像，作为钙钛矿前驱体提升结晶质量。‌（k）‌ 含量子线器件（N4组）正反扫J-V曲线迟滞效应消失，PCE提升至13.1%。‌（l）‌ N4器件在85%湿度、80°C下老化1000小时后PCE保持初始值92%，显著优于3D对照组（衰减45%）。‌数据来源‌：‌（a-e）‌ 引自：Wiley, 2022（Ref. 65）；‌（f-i）‌ 引自：Elsevier, 2021（Ref. 66）；j-l）‌ 引自：RSC, 2019（Ref. 145）。‌关键结论‌：‌界面钝化‌：CBAH处理减少界面缺陷，提升Voc均一性及湿热稳定性。‌工艺优化‌：两步旋涂法结合UTP添加剂抑制相分离，降低迟滞效应。‌维度调控‌：1D量子线增强钙钛矿结晶性，协同提升效率与湿度/热稳定性。‌封装兼容性‌：低维材料修饰的器件在非封装条件下展示产业化潜力。

 
 
Fig. 4 钙钛矿太阳能电池的界面修饰、维度调控与添加剂工程。本图通过多种材料设计策略（准二维结构、晶界钝化、添加剂掺杂等）系统优化钙钛矿太阳能电池的光电性能与稳定性：‌（a-d）准二维钙钛矿的界面钝化与稳定性提升‌（a）‌ 准二维ACI GA(MA)₅Pb₅I₁₆（n=5）器件结构，‌（b）‌ ImI处理后的器件正反扫迟滞效应显著降低，PCE由18.1%提升至21.3%。‌（c）‌ 在0.948 V偏压下，ImI处理器件稳态输出效率（20.8%）接近J-V测试值，验证其低能量损失特性。
‌（d）‌ ImI处理器件在85°C热老化1000小时后保持初始效率85%，远超MAPbI3对照组（衰减60%）。‌（e-h）添加剂工程优化能级匹配与结晶性‌（e）‌ NH4SCN添加剂优化钙钛矿/传输层能带对齐，‌（f）‌ 含1.5% NH4SCN器件PCE达19.4%（对照组16.2%）。‌（g）‌ NH4SCN增强载流子寿命，光电流密度提升15%，‌（h）‌ 在55%湿度下未封装器件稳定性优于惰性气氛（湿度诱导晶界自修复）。‌（i-k）晶界处二维/三维异质结设计‌（i）‌ 晶界处引入2D钙钛矿钝化缺陷，‌（j）‌ 目标器件（红色曲线）PCE达22.5%，Voc提升至1.15 V。‌（k）‌ 在50%湿度暗态环境中，目标器件500小时后PCE保持95%，而对照组（纯3D）衰减至70%。‌（l-n）阳离子工程与垂直取向调控‌（l）‌ FA/MA梯度垂直取向的2D钙钛矿实现高效载流子传输，‌（m）‌ FA/MA混合器件正反扫效率差值<0.3%，PCE达23.1%。
‌（n）‌ 低维钙钛矿效率总结显示，n=5准二维结构（红点）在效率-稳定性权衡中表现最优。‌（o-p）添加剂掺杂与无空穴传输层设计‌（o）‌ 6 mol% MACl掺杂优化钙钛矿层堆叠致密性（插图），冠军器件PCE由18.7%提升至21.9%。‌（p）‌ 无spiro-OMeTAD的器件通过M2P前驱体优化，最高PCE达17.3%，为简化器件结构提供新思路。‌数据来源‌：‌（a-d）‌ 引自：ACS, 2022（Ref. 68）；‌（e-h）‌ 引自：Wiley, 2018（Ref. 69）；‌（i-k）‌ 引自：Nature, 2018（Ref. 148）；
‌（l-n）‌ 引自：Wiley, 2022（Ref. 70）；‌（o）‌ 引自：ACS, 2020（Ref. 149）；
‌（p）‌ 引自：Wiley, 2020（Ref. 150）。‌关键结论‌：1.‌界面钝化‌：ImI处理与2D/3D异质结有效抑制界面/晶界缺陷，Voc与稳定性同步提升。2.‌添加剂调控‌：NH4SCN与MACl优化结晶质量与能级匹配，降低非辐射复合损失。3.‌维度工程‌：准二维结构（n=5）平衡载流子传输与稳定性，FA/MA梯度取向增强各向异性电荷提取。4.‌结构简化‌：无HTL器件通过前驱体设计实现高效低成本，推动产业化应用。‌注‌：图中可标注关键参数（如PCE、Voc、稳定性数据），并通过颜色对比（如红色-高效、蓝色-对照组）强化数据可视化。
 

 
‌Fig. 5 钙钛矿太阳能电池的双面钝化策略与添加剂稳定性优化。本图通过双面钝化技术与Sn基钙钛矿添加剂工程，系统提升器件的效率输出稳定性及耐环境老化能力：‌（a-d）双面钝化抑制界面非辐射复合‌（a）‌ 双面钝化器件结构（钙钛矿层上下界面同步修饰），‌（b）‌ 钝化组PCE波动范围由±1.8%收窄至±0.5%，批次均一性显著提升。‌（c）‌ 双面钝化最佳器件（红色曲线）PCE达23.7%，填充因子（FF）从78%增至83%，Voc提升至1.18 V。‌（d）‌ MPP追踪显示钝化器件（红色）初始40秒瞬态波动降低（插图），稳态效率（23.2%）与J-V测试值偏差<2%，远优于对照组（偏差>8%）。‌（e-i）Sn基添加剂增强结晶性与环境稳定性‌（e）‌ 含10% en-FASnI3添加剂的钙钛矿层截面SEM显示晶粒尺寸增大至1.2 μm，针孔缺陷消失。‌（f）‌ 10% en-FASnI3器件（蓝色曲线）PCE达20.1%，较无添加剂组（黑色）提升35%。‌（g）‌ 在AM1.5G光照、空气环境中，含添加剂器件（红色）500小时后PCE保持初始值92%，对照组（黑色）衰减至60%。‌（h）‌ 最优器件正反扫迟滞因子低至0.02，验证添加剂对离子迁移的有效抑制。‌（i）‌ 封装器件在室温暗态存储1500小时后效率保持95%，满足产业化长期稳定性要求。

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‌数据来源‌：
· ‌（a-d）‌ 引自：ACS, 2020（Ref. 109）；
· ‌（e-i）‌ 引自：Science, 2017（Ref. 115）。
‌关键结论‌：
00001. ‌双面钝化‌：同步修饰钙钛矿/ETL/HTL界面，降低载流子复合率，提升Voc与批次均一性。
00002. ‌添加剂工程‌：en-FASnI3优化Sn基钙钛矿结晶质量，协同抑制离子迁移与氧/水渗透。
00003. ‌环境鲁棒性‌：添加剂修饰的未封装器件在空气中展示优异光热稳定性，加速老化寿命超500小时。
00004. ‌迟滞效应‌：双面钝化与添加剂协同作用使迟滞因子趋近于零，适用于真实工况MPP追踪。
  
‌       总结与展望‌：PSC的核心挑战在于长期稳定性、可扩展性及毒性问题。未来需通过钝化技术、界面工程及精密晶体调控进一步优化材料，并探索混合维度的协同机制。柔性、轻质及多场景应用（如可穿戴设备）是潜在方向。推动PSC从实验室走向市场，需在效率、成本与耐久性间实现突破，助力其成为清洁能源的关键技术。

转自《石墨烯研究》公众号