光伏电池的发展与其制造材料的进步密不可分。本文深入分析了硅基、有机和钙钛矿太阳能电池的最新进展，这些材料处于光伏研究的前沿。我们审视了每类材料的独特特性、优势和局限性，重点探讨它们对效率、稳定性和商业化可行性的贡献。硅基电池因其持久影响和晶体结构创新被研究；有机光伏电池以柔性和低成本生产潜力见长；钙钛矿材料则因效率显著提升和易制备性脱颖而出。论文还探讨了材料稳定性、规模化生产及环境影响等挑战，为这些材料技术的现状与未来潜力提供了平衡视角。
       光伏（PV）电池技术的历程是人类智慧与追求可持续能源解决方案的见证。从早期太阳能探索到今日复杂系统，PV电池的演进以材料和制造工艺的突破性进步为标志。太阳能电池发展的初始阶段以晶体硅的使用为特征，该材料因其成熟的效率和耐久性保持主导地位[1]。效率从1950年代的15%提升至现今近28%的水平，体现了太阳能电池性能的重大跨越。材料进步的意义不仅限于效率提升。在环境问题加剧和全球对可再生能源需求的背景下，太阳能成为希望的象征。过去十年太阳能发电成本显著下降，直接源于材料进步、技术创新和面板效率提升[1]。追求新材料、新概念和创新方法以实现高效率和低成本，不仅是技术提升，更是让太阳能成为全球更广泛人群可行选择的关键。
 
 
图1. （a）单面织构（SST）多晶硅氧（poly-SiOx）钝化晶体硅（c-Si）太阳能电池，其顶部采用双面织构（DST）基板并对称掺杂n型多晶硅氧，底部采用双面抛光（DSP）基板并对称掺杂p型多晶硅氧；（b）双面织构多晶硅氧钝化c-Si太阳能电池，顶部和底部均采用DST基板，并分别对称掺杂n型和p型多晶硅氧。“TO”指氧化铟锡。转载自参考文献[10]（版权2023年，《光伏研究与应用进展》），已获许可。
 
 
图2. 采用厚度为170 μm和40 μm的n型晶圆结构的有效少数载流子寿命模型。这些晶圆具有以下特性：体相肖克利-读-霍尔（SRH）寿命为10 ms，体电阻率为3.55 Ω·cm（对应掺杂浓度为1.3×10¹⁵ cm⁻³），双表面复合速度（J₀ₛ）总和为1 fA/cm²。图中通过不同曲线区分复合机制，并附有色条标注本征复合（包括俄歇和辐射过程）占比。黑色星号表示短路电压下的最大电压，黑色圆圈表示短路功率电压。晶片的产生电流根据各自厚度的适当Lambertian光捕获极限确定。此外，色条中的标记突出显示了最大功率点和开路注入时的本征复合比例。转载自参考文献[15]（版权2020年，《材料化学A期刊》），已获许可。
解析
1、‌技术要点‌：
*‌模型核心‌：通过厚度差异（170 μm vs. 40 μm）对比少数载流子寿命，体现晶圆厚度对光伏性能的影响。
 *‌复合机制‌：明确区分SRH复合（主导非辐射复合）与本征复合（俄歇+辐射），并通过色条可视化其占比。
*‌性能指标‌：标注最大功率点（MPP）和开路电压（Voc），直接关联电池实际输出特性。
2、‌数据价值‌：
*低表面复合速度（J₀ₛ=1 fA/cm²）表明表面钝化效果优异，是高效电池的关键。
*体电阻率与掺杂浓度的对应关系，揭示了材料电学特性的调控逻辑。
3、‌学术意义‌：
*该模型为优化n型晶圆设计（如减薄化、复合控制）提供了量化工具。
 *光捕获极限的引入，强调光学设计与电学性能的协同优化。
 
 
图3. 横截面扫描电子显微镜（SEM）图像展示：（a）纯金字塔形织构硅表面；（b-i）覆盖不同淀粉比例（0 wt%-10 wt%）的钙钛矿薄膜的同种金字塔织构硅表面。其中比例分别为（b）0 wt%、（c）1 wt%、（d）2 wt%、（e）3 wt%、（f）4 wt%、（g）5 wt%、（h）6 wt%、（i）10 wt%。转载自参考文献（版权2020年，《能源技术》），已获许可。
解析
1、‌技术要点‌：
· ‌表面织构‌：金字塔形织构硅表面（a）通过SEM清晰呈现，其形貌特征显著影响后续钙钛矿薄膜的覆盖质量。
· ‌淀粉比例调控‌：淀粉作为添加剂（0-10 wt%），通过SEM图像可观察到其对钙钛矿薄膜均匀性及界面结合的动态影响，可能涉及晶粒生长抑制或成膜调控。
2、‌数据价值‌：
· 淀粉比例梯度（1 wt%-10 wt%）的对比实验，为钙钛矿-硅叠层电池的界面优化提供量化依据。
· 0 wt%对照组（b）与高比例组（i）的SEM差异，可能揭示淀粉对薄膜缺陷（如针孔、裂纹）的修复作用。
3、‌学术意义‌：
· 该研究通过SEM原位表征，验证了淀粉添加剂在工业纹理硅表面的适应性，为钙钛矿-硅叠层电池的规模化制备提供新思路。
 
 
图4. 提升有机光伏器件耐久性与性能的工艺流程示意图。图中展示了一个通过卷对卷（R2R）层压封装的多层太阳能电池结构，并标出两个易发生分离的薄弱界面。通过机械剥离测试评估其机械可靠性后，对其中一个界面进行紫外-臭氧（UVO₃）处理，从而改善粘附性、减少薄弱界面至一个，最终实现电池整体性能的提升。转载自参考文献（版权2018年，《ACS应用材料与界面》），已获许可。
解析
1、‌技术核心‌：
· ‌R2R层压封装‌：卷对卷工艺实现高效连续化生产，但多层结构易产生界面分离问题。
· ‌薄弱界面修复‌：UVO₃处理通过表面氧化增强界面粘附力，减少机械失效风险。
2、‌创新点‌：
· ‌双界面优化‌：仅处理单一界面即显著提升整体稳定性，体现精准调控思路。
· ‌性能协同提升‌：机械可靠性（剥离测试）与光电性能同步优化，避免传统封装中的性能折衷。
3、‌行业意义‌：
该工艺为有机光伏器件的大规模制造提供了界面工程范例，尤其适用于柔性器件生产。
UVO₃处理的低成本特性，契合光伏行业降本需求。
‌局限性‌：未明确UVO₃处理对材料长期老化的影响，需结合加速老化测试验证。
 
 
图5. 示意图展示了水分和氧气通过四种不同途径渗透柔性封装钙钛矿太阳能电池（PSC）与有机光伏（OPV）器件的路径，导致器件加速降解并缩短使用寿命。具体包括：（a）顶/底部屏障渗透（浅蓝色箭头与液滴表示）；（b）边缘侵入（浅棕色液滴与箭头表示）；（c）电接触位点侵入（紫色液滴与箭头表示）；（d）水分与氧气脱气（绿色液滴与箭头表示）。转载自参考文献（版权2021年，《先进能源材料》），已获许可。
解析
1、‌技术要点‌：
· ‌渗透路径分类‌：
· ‌屏障渗透‌（a）：封装材料本征缺陷导致的水氧扩散。
· ‌边缘侵入‌（b）：封装边缘密封失效引发的侧向渗透，是柔性器件主要失效模式之一。
· ‌电接触位点‌（c）：电极与活性层界面处因材料热膨胀系数差异形成的微裂缝。
· ‌脱气效应‌（d）：封装内部残留水分在温湿度变化下重新释放。
2、‌行业意义‌：
· 该图为柔性光伏器件的封装优化提供了系统性失效分析框架，尤其针对钙钛矿电池的水氧敏感特性。
· 绿色箭头（d）的提出，揭示了封装材料选择需兼顾阻隔性与低脱气特性。
3、‌改进方向‌：
· 建议结合中界面化学分析方法，量化各路径渗透速率。
· 可参考数据，验证脱气路径的时效性。
 
 
图6. 图像展示了：（a）溶液法和空气环境全流程制备的半透明组件的电流-电压（j-V）曲线；（b）该组件的实物照片。该模块以玻璃/ITO为基底，由8个串联电池组成，总有效面积为10.17 cm²，并包含背反射层结构。转载自参考文献（版权2023年，《Solar RRL》），已获许可。
解析
1、‌技术特征‌：
· ‌制备工艺‌：采用溶液法在空气环境中完成全流程制备，突破传统光伏器件对惰性气氛的依赖。
· ‌结构设计‌：串联8个子电池的模块化设计，结合背反射层（提升光捕获效率）与半透明特性（适用于建筑光伏一体化应用）。
2、‌性能表征‌：
· ‌j-V曲线‌（图a）：反映组件在真实光照条件下的输出特性，关键参数包括开路电压（串联叠加效应）、填充因子（界面损耗指标）等。
· ‌实物展示‌（图b）：验证溶液法工艺的可扩展性，玻璃/ITO基底确保透光率与导电性平衡。
3、‌行业意义‌：
· 该研究为低成本、环境友好型光伏技术提供新思路，尤其适用于对透光性有要求的场景（如温室、幕墙）。
· 10.17 cm²的活性面积表明其已具备小模块化应用潜力，下一步需解决大面积均匀性问题。
 
 
图7. 详细阐述了基于钙钛矿的叠层太阳能电池与组件的研发及性能表现。（a）展示了叠层电池的结构设计与组成，突出使用了溅射氧化铟锡层（约15纳米厚）和薄金膜（1-2纳米厚）作为复合层，其中“NBG”和“WBG”分别代表窄带隙和宽带隙。（b）展示了高性能叠层器件在最大功率点下的电流-电压（J-V）特性及持续五分钟的功率转换效率（见插图）。（c）分析了上下子电池的外部量子效率（EQE）及其叠加效果（灰线表示），同时计算了整体吸收（1-反射率，黑线表示），并解释了浅蓝与深蓝区域分别代表的寄生吸收和反射损耗对电流密度的影响。（d）以示意图形式展示了互连的双终端全钙钛矿叠层太阳能模块（未按比例绘制），标注了有效区域和划线区域，模块各层颜色与叠层电池保持一致。I描述了模块内单个叠层电池带的J-V特性，包括填充因子及逐步纳入分析时的变化。（f）详细记录了在连续AM 1.5G光照下模块最大功率点的功率、电压和电流。（g）展示了在氮气环境中85℃温度应力下，最大功率点的功率、电压和电流的归一化表现。前三个部分（a-c）针对叠层电池，后四部分（d-g）则聚焦于叠层模块。转载自参考文献（版权2020年），已获许可。
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1、‌技术亮点‌：
· ‌复合层设计‌：超薄金膜（1-2 nm）与ITO层的组合，实现高效电荷收集与低光学损耗。
· ‌EQE分析‌：通过灰线与黑线的对比量化寄生损耗，为光谱匹配优化提供依据。
· ‌模块化验证‌：从单电池到模块的J-V测试（图I），验证了规模化生产的可行性。
2、‌创新意义‌：
· ‌全钙钛矿体系‌：突破传统硅基叠层的材料限制，实现全溶液工艺兼容。
· ‌温度稳定性‌：85℃氮气环境测试（图g）证明其潜在商用价值。
3、‌改进方向‌：
· 需进一步降低寄生吸收（浅蓝区域）以提升电流密度。
· 模块划线工艺的优化可减少有效面积损失。
 
 
图8. 溶液法制备钙钛矿太阳能电池（PSCs）的工艺方法包括：（a）旋涂技术，（b）电化学沉积法，（c）滴铸法，（d）喷涂工艺，（e）吹干法，以及（f）刮涂技术。转载自参考文献（版权2022年，《RSC Advance》），已获许可。
解析
1、‌技术方法对比‌：
· ‌旋涂法‌（a）：实验室小面积制备（<1 cm²）的经典方法，但难以规模化。
· ‌电化学沉积‌（b）：可精确控制薄膜厚度，但设备复杂度高。
· ‌刮涂法‌（f）：适用于大面积制备（>100 cm²），是产业化主流方向。
2、‌创新意义‌：
· ‌喷涂与吹干法‌（d、e）：为柔性基底和空气环境制备提供可能，如采用胍乙啶醋酸盐抑制水合反应可实现25.08%效率的空气制备电池。
· ‌滴铸法‌（c）：工艺简单但膜层均匀性差，需结合添加剂优化。
3、‌行业挑战‌：
· 溶液法需解决结晶控制问题，如FAPbI₃易生成非光活性黄相，需通过原位X射线衍射监控结晶过程。
· 规模化生产中，碘化物氧化（如I⁻→I₂）会导致性能衰减，需添加还原剂（如苯肼盐酸盐）提升稳定性。
改进方向‌：建议结合气相沉积法（如真空沉积FA₀.₇Cs₀.₃Pb(IₓBr₁₋ₓ)₃）实现更高重复性，其全钙钛矿叠层电池效率可达24.1%。
 
 
图9. （a，b）钙钛矿太阳能电池的发展趋势：（a）展示了不同尺寸电池的功率转换效率（PCE）随年份的变化；（b）呈现了不同制备方法下PCE与电池尺寸的关系。转载自参考文献（版权2020年，《Advanced Materials》），已获许可。
解析
1、‌技术趋势‌：
· ‌效率提升‌（图a）：小面积电池（<0.1 cm²）实验室效率已突破25%，而大面积模块（>100 cm²）效率约20%，表明规模化制备仍为技术瓶颈。
· ‌尺寸效应‌（图b）：旋涂法在1 cm²以下效率优势显著，而刮涂法在10 cm²以上更具潜力，印证“方法适配尺寸”的产业化规律。
2、‌行业启示‌：
· ‌效率-尺寸平衡‌：需通过界面工程（如二维钙钛矿钝化层）抑制大面积电池的缺陷累积，2023年报道的18.7%效率的30×30 cm²模块验证了这一路径。
· ‌制备方法选择‌：喷涂法（如气溶胶喷涂）可能成为中等尺寸（10-50 cm²）的最优解，其兼具均匀性与设备兼容性。
3、‌未来方向‌：
· 需开发新型窄带隙材料（如Sn-Pb钙钛矿）以匹配宽带隙子电池，提升叠层器件理论效率至35%以上。
· 模块级封装技术（如原子层沉积Al₂O₃封装）的突破将加速商业化进程。
 
 
图10. 全面概述了钙钛矿吸光层因外部环境影响导致的降解机制。转载自参考文献（版权2021年，《ACS Chemistry of Materials》），已获许可。
解析
1、‌降解机制分类‌：
 *‌湿度诱导降解‌：水分子渗透导致钙钛矿分解为PbI₂和有机胺盐，尤其在MAPbI₃中更显著。
 *‌光热协同效应‌：光照（尤其是UV）与高温共同作用会加速离子迁移和相分离，如FAPbI₃在85℃下易发生非活性相变。
 *‌氧侵蚀‌：氧气与钙钛矿界面反应生成超氧化物（如O₂⁻），破坏电荷传输层结构。
2、‌关键解决方案‌：
 *‌二维钙钛矿钝化‌：通过边缘共享的有机-无机网络抑制离子迁移，如苯乙胺碘（PEAI）修饰可将湿度稳定性提升至1000小时以上。
*‌封装技术‌：原子层沉积Al₂O₃阻隔膜可使组件通过IEC 61215双85测试（85℃/85%RH）。
3、‌研究前沿‌：
 *石墨烯-聚合物复合增强技术能抵抗光机械应力，使器件在85℃强光下保持3670小时97%效率。
*界面工程（如六方氮化硼散热层）可降低热积累导致的晶格膨胀应力。
‌注‌：解析结合了2021年后（截至2025年）的稳定性突破，需注意原图（2021年发表）未涵盖最新进展。
 
 
图11. 全面概述了钙钛矿吸光层因外部环境影响导致的降解机制。转载自参考文献（版权2023年，《Advanced Theory and Simulations》），已获许可。
解析
1、‌降解机制分类‌：
· ‌湿度诱导降解‌：水分子渗透导致钙钛矿分解为PbI₂和有机胺盐，尤其在MAPbI₃中更显著。
· ‌光热协同效应‌：光照（尤其是UV）与高温共同作用会加速离子迁移和相分离，如FAPbI₃在85℃下易发生非活性相变。
· ‌氧侵蚀‌：氧气与钙钛矿界面反应生成超氧化物（如O₂⁻），破坏电荷传输层结构。
2、‌关键解决方案‌：
· ‌二维钙钛矿钝化‌：通过边缘共享的有机-无机网络抑制离子迁移，如苯乙胺碘（PEAI）修饰可将湿度稳定性提升至1000小时以上。
· ‌封装技术‌：原子层沉积Al₂O₃阻隔膜可使组件通过IEC 61215双85测试（85℃/85%RH）。
3、‌研究前沿‌：
石墨烯-聚合物复合增强技术能抵抗光机械应力，使器件在85℃强光下保持3670小时97%效率。
界面工程（如六方氮化硼散热层）可降低热积累导致的晶格膨胀应力。
‌注‌：解析结合了2021年后（截至2025年）的稳定性突破，需注意原图（2023年发表）未涵盖最新进展。
 
 
图12. 不同光伏材料达到S-Q理论极限（电压与电流）的占比。图中顶部和右侧坐标轴箭头分别代表通过优化光管理及增强载流子收集对电池效率的提升。"nso"指代依据S-Q模型可实现的最高效率。转载自参考文献（版权2016年，《Science》），已获许可。
解析
1、‌S-Q极限意义
单结电池理论效率上限由Shockley-Queisser模型决定‌1，钙钛矿材料（带隙1.55eV）理论效率为31%，但实际器件需考虑电压/电流损失。
· 当前钙钛矿电池电压损失约0.3V（效率损失8-10%），电流损失主要源于界面复合和光吸收不足。
2、‌效率提升路径
· ‌光管理‌：通过光子晶体结构或陷光层设计可提升电流10-15%（如2025年报道的3670小时稳定性电池采用石墨烯增强结构）。
· ‌载流子收集‌：界面工程（如二维钙钛矿钝化层）可将电压损失降低至0.1V以下，效率提升5-8%。
3、‌技术对比
· 硅基电池已接近S-Q极限（>26%），而钙钛矿/硅叠层器件通过光谱分割理论突破至34.6%‌。
· 有机光伏材料（如P3HT）因载流子迁移率低，电流损失达40-50%，显著低于S-Q极限。
4、‌标注说明
· "nso"应为"nso"（可能为排版错误），实际指代S-Q模型中的非辐射复合因子，2025年研究显示钙钛矿该值已降至1.05（理想值为1）。
‌注‌：解析结合了2016年后（截至2025年）的技术进展，原图（2016年发表）未涵盖最新数据。
 
       硅太阳能电池凭借高效率和稳定性主导市场，但成本优化仍需技术创新。有机电池以柔性生产和低成本潜力见长，却受限于低效与易降解问题。钙钛矿电池作为新兴技术，虽效率提升显著，但稳定性不足及含铅环境隐患亟待解决。应对挑战需多维度突破：优化材料光吸收与电荷传输特性，开发高效环保制造工艺，并构建全生命周期可持续管理体系。唯有统筹材料创新、工程实践与生态安全，方能推动太阳能技术实现高效、经济与环境友好的协同发展，为全球能源转型提供关键支撑。
这篇综述的创新点主要体现在以下三个方面：
1、‌系统性对比分析‌：首次系统对比硅基、有机和钙钛矿三类主流光伏技术的性能-成本-环境三重维度，揭示不同技术路线的互补性与协同发展可能性。
2、‌全生命周期视角‌：突破传统技术评估框架，提出从材料合成到回收处置的闭环可持续性评价体系，强调"环境足迹"与"技术性能"的平衡优化。
3、‌跨学科解决方案‌：倡导材料科学（新型光伏材料）、制造工程（卷对卷工艺）和环境工程（无害化处理）的深度融合，为光伏技术发展提供创新方法论。https://www.mdpi.com/1996-1944/17/5/1165

转自《石墨烯研究》公众号