研 究 背 景

应对气候危机，实现“双碳”目标，太阳能光伏发电已成为最具潜力的清洁能源解决方案。经过数十年发展，单结晶硅太阳电池的光电转换效率已逼近其理论极限（约29.4%），进一步提升的空间极为有限。在此背景下，钙钛矿/硅叠层太阳电池（PSTSCs）凭借其突破单结效率瓶颈的巨大潜力，成为光伏领域的研究热点。该结构通过将宽带隙（约1.65–1.75 eV）钙钛矿顶电池与窄带隙（1.12 eV）晶硅底电池串联，实现对紫外至近红外光谱的互补吸收，同时降低高能光子的热损失，以提升光电转换效率。短短十年间，PSTSCs的认证效率已从最初的13.7%飙升至34.85%，远超单结电池水平，牛津光伏、隆基等企业已推动该技术从实验室走向中试和商业化生产。然而，从实验室惊艳的效率数字到真正实现商业化大规模应用，PSTSCs仍面临长期稳定性、大面积均匀制备及真实环境可靠性等一系列严峻挑战。

成 果 介 绍

中国科学院半导体研究所曲胜春、刘孔，中国科学院大学郑晓鹏，联合国内外多家单位，系统总结分析了PSTSCs商业化所需光电转换效率、器件可扩展性与运行稳定性等条件，全面剖析了器件从实验室到户外部署过程中所面临的科学与工程挑战。文章详细讨论了钙钛矿顶电池中的卤素相分离、叠层界面处的应力失配与缺陷增殖、顶底电池间的光谱失配与电流失配等机制，评估了灰尘、露水、冰雹、生物污染、局部阴影及相关效应（如热斑形成、电势诱导衰减、电极腐蚀、应力诱导电流失配）等真实环境的影响机制。此外，论文还分析了安装参数（倾角、高度、地面光反射、风速、温度循环）对器件性能的影响，并从经济性角度分析了平准化度电成本。基于上述全面分析，作者提出了面向25年户外使用寿命的技术路线图，为PSTSCs最终成为可持续低碳能源生产方案指明了方向。该成果以“Key Challenges for Commercializing Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells” 为题发表在Carbon Energy 上。

研 究 亮 点

1. 从内到外的全方位影响因素分析

与以往仅聚焦效率或孤立的稳定性研究不同，本成果将PSTSCs的退化机制分为内在（卤化物相分离、界面分层、离子迁移等）和外在（灰尘、露水、酸雨、鸟粪等生物及环境污染物）两大类别。特别值得注意的是，工业排放中的磷酸、鸟粪中的尿酸等酸性物质，以及道路扬尘中的碱性化合物，会与玻璃盖板和金属电极发生复杂的化学腐蚀反应，甚至诱导钙钛矿分解和铅泄漏，这是以往研究中被严重低估的问题。

2. 动态变化环境中电流失配的深度解析

探讨了因昼夜温差、季节变化和地理纬度导致的光谱和温度波动，如何诱发顶底电池间的电流失配。分析了钙钛矿与晶硅之间巨大热膨胀系数不匹配所带来的热机械应力。这种应力在温度循环中不仅导致界面分离，还会降低卤素离子迁移的活化能垒，加剧光致卤素相分离。文章提出，未来应重点关注应变工程，例如利用特定添加剂将有害的拉伸应力转化为有益的压缩应力，从而同时提升效率和稳定性。

3. 局部阴影与反向偏置问题剖析

评估了PSTSCs在局部阴影下的电池工作特点。当部分子电池被遮挡时，会承受来自未遮挡区域的反向偏压，导致局部热点温度可超过270°C，远高于钙钛矿材料的热分解阈值。传统的硅电池旁路二极管在PSTSCs中往往因响应慢、触发阈值不匹配而失效。文章推荐使用肖特基二极管或有源旁路电路，以实现更快的电流重定向和更优的热管理。

4. 提出商业化推广建议

文章呼吁，电池需要按照IEC 61215和ISOS系列协议进行系统的稳定性测试。基于平准化度电成本模型的蒙特卡罗模拟表明，一个效率30%的PSTSC，若年衰减率从1%升至3%，则需要效率相对提升10%或成本降低60%才能维持竞争力。针对环境毒性问题，论文介绍了嵌入在UV固化树脂中的阳离子交换树脂策略，该材料通过与Pb²⁺发生不可逆的离子交换，即使在模块破损和湿热老化1000小时后仍能捕获>95%的泄漏铅离子，有效解决了钙钛矿的环保信任危机。

图 文 解 析

图1 PSTSCs的器件结构与性能演进

图1A为PSTSCs的串联结构示意图：宽带隙钙钛矿顶电池与窄带隙晶硅底电池通过透明导电层串联，实现紫外至近红外光的互补吸收。图1B的能带图展示了光生载流子在两个子电池中的产生与复合过程。图1C基于细致平衡理论计算了两端PSTSCs的理论最高效率达45.1%，远高于当前34.85%的记录。图1D绘制了过去十年间不同面积PSTSCs、单结钙钛矿和单结晶硅电池的效率演进对比，展示了叠层技术的优势。

图2 应力与应变诱导的电流失配及卤化物相分离

图2A展示了两种互联层设计：透明导电氧化物与非晶硅复合层。图2B的温度依赖外量子效率曲线揭示了温度变化如何引起钙钛矿和硅的带隙移动，进而导致子电池间的电流失配。图2C展示了钙钛矿薄膜中由热失配诱导的拉伸/压缩应变分布。图2D阐述了n-i-p结构PSTSCs中由相分离、电极腐蚀等主导的多种退化路径。图2E–2H通过光致发光光谱的动态演变和准费米能级分裂的降低，展示了在混合卤化物钙钛矿中光诱导的富碘和富溴畴区形成过程。图2I对比了快速与缓慢结晶过程对薄膜质量与相稳定性的影响，强调结晶动力学调控是抑制相分离的关键。

图3 常见颗粒物与生物污染物及其物理化学特性

图3以风险地图的形式，按来源分类展示了户外环境中威胁PSTSCs稳定性的各类污染物。每种污染物按元素组成进行颜色编码，明确指出催化活性过渡金属和可移动重金属离子对钙钛矿晶格的破坏性最大。图中央的光伏电站图像象征真实部署环境，暗示（1）电站选址时应避开工业/城市区域；（2）封装设计应针对金属离子构筑阻挡层；（3）加速老化测试中应使用富含V/Ni/Pb的气溶胶。

图4 环境湿度、应力等诱导的膜层退化与分离

图4A（i-ii）展示了湿度、温度循环和机械应变如何削弱器件层间粘附力，导致分离、微裂纹和界面失效。图4B展示了湿气、氧气和光协同作用下，银电极被碘离子腐蚀生成AgI，钙钛矿分解并泄漏Pb²⁺，以及该铅泄漏对斑马鱼模型的毒性效应。图4C展示了阳离子交换树脂（CER）混合在UV固化树脂中形成铅捕获层的工作原理，当水分渗入时，Pb²⁺被释放并与CER上的磺酸基团发生不可逆的离子交换，固化后的树脂将CER-Pb络合物牢牢锁定，阻断了铅向环境的释放路径。

图5 局部阴影与电势诱导衰减

图5A展示了在1000 V的PSTSCs组件中，局部阴影导致两端产生±500 V的不对称电势，从而触发电势诱导衰减。图5B展示了在反向偏压应力下，局部热点温度可升至远高于钙钛矿分解阈值，形成热斑并造成永久性损伤。图5C对比了25%局部阴影与无阴影条件下PSTSCs的电流-电压特性曲线，显示了阴影导致的功率骤降。图5D总结了近十年来现场硅组件的主要退化模式，表明分层、热斑和电势诱导衰减对PSTSCs同样具有重要影响。

图6 影响PSTSCs性能的关键安装与环境参数

图6展示了多因素耦合系统示意图，涵盖了倾斜角、方位角、地面反射率、背反射、离地高度、风速以及直接/漫射光比例等参数。这些参数的耦合作用共同决定了组件表面的积尘速率、自清洁效率、工作温度以及双面发电增益，是精细化能量收益预测和电站优化设计的基础。

图7 硅基织构设计对钙钛矿薄膜沉积与光管理的影响

图7A对比了平面与绒面化硅表面在陷光效果上的差异，织构表面延长了光路。图7B展示了不同绒面设计的反射谱及其对应的短路电流损失。图7C的扫描电镜图像揭示了在微米级金字塔上直接溶液法沉积钙钛矿时，因钙钛矿厚度无法完全覆盖金字塔高度而导致的尖顶处覆盖不全、漏电和分流通道。图7D展示了通过热蒸发能够在V型槽硅衬底上实现保形覆盖。图7E对V型槽谷底的应力分布进行了模拟。图7F的多模态显微图像揭示了平坦尖顶边缘和谷底区域存在蓝移、暗斑等相分离与复合中心。图7G–7H展示了通过湿法+干法混合工艺制备的小尺寸绒面表面，能够获得更均匀、结晶性更好的钙钛矿薄膜。

图8 PSTSCs的长期运行稳定性及商业化路线

图8A–8B展示了采用成核工程或界面钝化策略的封装器件，在模拟1个太阳光照、45°C或85°C条件下连续最大功率点追踪超过1300小时和3600小时后，仍保持93%–98%以上的初始效率。图8C展示了阿卜杜拉国王科技大学团队的户外实测数据：器件在运行12个月后仍保留约80%的初始效率，但最终因银电极被钙钛矿分解释放的挥发性物质腐蚀而失效。图8D显示采用新型自组装单分子层的器件通过了IEC 61215温度循环测试，效率保持率高达98.8%。图8E–8G通过在钙钛矿界面引入石墨烯/PMMA双层结构，将杨氏模量从27.4 GPa提升至50.3 GPa，断裂能从13.2 kJ m^-3提升至40.6 kJ m^-3，实现了在90°C高温下连续运行3670小时效率保持>97%的优异稳定性。图8H的ITRPV路线图预测，硅基叠层组件的效率将在2032年达到28%，并占据超过100亿美元的市场份额。图8I展示了从实验室小面积电池向基于准方形M2硅片的工业化组件过渡的示意图，标志着PSTSCs技术已进入产业化关键阶段。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Key Challenges for Commercializing Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells

文章研究方向：

太阳电池— —钙钛矿/硅叠层太阳电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70241

DOI: 10.1002/cey2.70241

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