01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Perovskite-driven artificial photosynthesis: A perspective

作者：Michael Graetzel*, Jing Gao, Likai Zheng

推送导读：

人工光合作用旨在利用太阳光，将水和CO₂转化为H₂、CO、甲酸及碳氢燃料等高附加值化学品，为可再生能源的长期储存和低碳化工提供路径。与单纯发电不同，太阳燃料体系不仅要求光伏组件具备高效率，还必须持续输出足够且稳定的电压和电流，并与催化反应器协同工作。钙钛矿材料兼具高效、带隙可调、低温加工和叠层集成等优势，为按反应需求定制光伏输出提供了独特平台。

瑞士工程科学院院士、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授在专刊发表文章“Perovskite-Driven Artificial Photosynthesis: A Perspective”，系统回顾钙钛矿光伏驱动水分解和CO₂还原的进展，并提出由器件性能向系统协同设计转变的发展思路。

一、简要介绍

钙钛矿驱动人工光合作用，是指以钙钛矿吸光材料为光能转换单元，利用其产生的光生电压和电流驱动水分解与CO₂还原，将太阳能转化为H₂、CO、甲酸及碳氢化合物等太阳燃料。系统通常由光伏材料、催化剂、电子/空穴传输层、保护层、电解质等共同构成的太阳能化学转化体系，涵盖光伏端的单结组件、叠层器件，以及反应端的分离式光伏-电化学体系和集成式光电化学体系。

该综述从太阳燃料反应对光伏输出的实际需求出发，系统梳理钙钛矿光伏由单结组件向叠层及多结器件发展的技术进展，比较不同人工光合作用架构的优势与局限，剖析电压与电流匹配、界面保护、催化选择性、长期稳定性及规模化制造等关键问题，并进一步提出从追求光伏效率纪录转向系统定义太阳燃料设计的发展方向。

二、重要进展与研究趋势

2.1 单结组件：规模化太阳燃料的光伏基础

单结钙钛矿光伏已从实验室概念器件逐步发展为面向大面积制造的技术平台。对于人工光合作用而言，其意义不仅在于获得更高的光电转换效率，更在于以较低成本为模块化电解系统提供稳定的电压和电流。近年来，可扩展成膜、界面调控和选择性接触等技术不断进步，推动钙钛矿器件由小面积电池向大面积组件发展。与此同时，真空沉积与溶液加工形成了两条互补的制造路径：前者具有厚度和均匀性控制优势，后者则在低温制备、材料利用率和连续化生产方面展现潜力。下一阶段的重点，将从刷新单个器件的效率纪录，转向提升大面积薄膜均匀性、制造良率、封装可靠性及变动负载下的稳定输出。

2.2 叠层与多结：以“电压工程”匹配化学反应

水分解和二氧化碳还原并不会在达到理论反应电位后自动高效进行，还需克服催化过电位、膜损失和串联电阻等额外能量消耗。叠层与多结器件通过组合不同带隙的吸收层，在拓宽太阳光谱利用范围的同时实现电压叠加，为太阳燃料反应提供更充足的驱动力。钙钛矿/硅叠层、全钙钛矿叠层及三结器件的持续进展表明，钙钛矿不仅可以作为高效率光伏材料，还可以通过带隙调控为不同化学反应定制输出电压。然而，宽带隙钙钛矿的卤素相分离、窄带隙锡铅钙钛矿的氧化，以及不同子电池之间的界面退化，仍可能造成输出功率点漂移，进而影响反应效率和产物选择性。如何在获得高电压的同时维持长期稳定，是叠层器件走向太阳燃料应用的核心挑战。

2.3 水分解：从分离式耦合走向受保护集成

水分解是钙钛矿驱动人工光合作用中发展较早、体系相对成熟的应用方向。早期研究主要采用光伏-电化学分离架构，将封装后的钙钛矿器件置于电解液之外，并通过外部电路驱动独立电解槽。这种设计能够避免钙钛矿电池直接接触水，同时允许光伏组件与催化体系分别优化，因此成为高效率太阳能制氢的重要技术路线。另一种结构是光伏辅助光电化学体系，通过导电保护层将光吸收、载流子传输和催化反应连接起来。集成化缩短了能量传输路径，却也使保护层必须同时具备阻隔、导电和耐腐蚀功能。当器件进一步放大时，气泡排出、局部电流分布、反应物传输和封装完整性也将共同决定系统的运行表现。

2.4 CO₂还原：跨越光伏与反应速率的“匹配鸿沟”

与水分解相比，CO₂还原涉及更复杂的多电子转移过程，并伴随析氢竞争和多种产物路径。光伏器件提供的电压和电流不仅决定反应能否发生，还会直接影响CO、甲酸、甲烷及多碳产物的法拉第效率。近年来，钙钛矿光伏效率和界面质量的提升，为CO₂还原提供了更稳定的能量输入；催化剂与反应器的进步，则不断提高反应速率和目标产物选择性。然而，单结太阳能电池在自然光下提供的电流密度，与流动电解槽所需的高反应速率之间仍存在明显差距。增加电池串并联会引入互联和电阻损失，采用聚光又会加剧热积累和钙钛矿退化。因此，突破这一瓶颈不能只依赖光伏器件或催化剂的单独改进，而需要同步优化光伏连接方式、催化界面、膜、电解槽流场和热管理。

2.5 系统稳定性：从保护单一器件到应对多重应力

人工光合作用对钙钛矿器件提出了比常规光伏运行更复杂的稳定性要求。除持续光照和温度变化外，器件还可能承受电解液渗透、反应中间体侵蚀、气体析出、负载波动及层间机械应力。这些因素相互耦合，使系统失效不再由单一材料或界面决定。稳定性设计因此需要贯穿整个技术链条：在材料层面抑制离子迁移和相分离，在器件层面构建稳定的传输层与互连结构，在系统层面完善密封、隔离和气体管理。同时，含铅钙钛矿的潜在泄漏风险也不容忽视，应通过保护层、铅吸附材料、释放监测和闭环回收形成完整的安全管理方案。未来评价体系也需从单纯关注光电流保持率，拓展至产物选择性、燃料生成速率、界面稳定性和材料释放等系统指标。

三、总结及展望

该综述从太阳燃料生产的实际需求出发，系统梳理了单结钙钛矿组件的规模化进展、叠层与多结器件的电压优势，以及水分解和CO₂还原系统的主要架构与关键瓶颈。其核心观点是，钙钛矿驱动人工光合作用不能仅沿用光伏效率竞赛的评价逻辑，而应将光伏材料、催化剂、保护层、电解质、膜和反应器视为相互关联的整体。

未来，钙钛矿光伏能否真正推动太阳燃料技术走向应用，将取决于效率、稳定性、催化选择性、制造成本和材料安全之间的综合平衡。格雷策尔教授以系统视角重新审视钙钛矿光伏与人工光合作用的结合，为该领域从实验室效率示范迈向稳定、可放大且具有经济性的太阳能化学制造提供了清晰的发展框架。

03 论文信息

论文信息

M. Graetzel, J. Gao and L. Zheng. Perovskite-driven artificial photosynthesis: A perspective[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.08.003

论文下载

Perovskite-driven artificial photosynthesis- A perspective.pdf

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊 | Michael Grätzel院士：从钙钛矿光伏到人工光合作用

04 作者简介

Michael Grätzel 教授

Michael Grätzel，教授，现任瑞士洛桑理工学院界面与光子学实验室主任。太阳能光电转化与利用全国重点实验室国际咨询专家。1968年在德国柏林自由大学获化学硕士学位，1971年在柏林工业大学获物理化学博士学位，1972至1974年在美国圣母大学进行博士后研究。2012年当选为欧洲科学院院士，2014年当选为德国国家科学院院士，2016年当选为美国国家发明家学院会员，2019年当选为瑞士工程科学院院士，2021年当选为中国科学院外籍院士。因发明染料敏化太阳能电池（被称为“Grätzel电池”），在光伏领域取得了一系列革命性突破，被誉为“染料敏化太阳能电池之父”。这一技术推动了钙钛矿光伏技术的发展，成为现代光伏领域最令人瞩目的进展之一。迄今已在Nature、Science等期刊发表论文2000余篇，总引用49万余次，单篇最高引用超过36000次，谷歌学术h指数307；近期，根据斯坦福大学的最新文献计量学排名，在全球10万名科学家中名列第一，根据Web of science（2023年）的数据，目前是世界上被引用次数最多的化学家。获国际知名奖励30余项，包括欧洲千禧年创新奖（2000）、英国皇家化学会法拉第奖章（2001）、意大利埃尼-依达尔科学环境奖（2003）、以色列海法理工学院哈维科学技术奖（2008）、爱因斯坦世界科学奖（2012）、以色列萨姆森总理替代燃料创新奖(2014)、沙特阿拉伯费萨尔国王国际科学奖（2015）、瑞士化学学会巴拉塞尔士奖和奖章（2016）、英国皇家化学学会百年奖（2016）、俄罗斯全球能源奖（2017）、德国化学学会奥古斯特•冯•霍夫曼纪念章（2018）、德国迪尔斯-普朗克奖章（2020）、绿碳杰出成就奖（2025）、德意志联邦共和国佩星大十字功绩勋章（2026）等。

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