钙钛矿太阳能电池（perovskitesolarcells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。

2009年，日本科学家小岛清（Kojima）等人制备了第一块钙钛矿太阳能电池。2013年，钙钛矿被Science期刊评为了年度十大科学突破之一。后来瑞士Grätzel课题组将电池效率首次提升至15%。2015年，韩国Seok领导的课题组经过对材料的比例进行优化，制备出了效率达20.1%的太阳能电池。2023年7月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队实现了26.1%的光电转换效率。2024年10月，南京大学谭海仁教授团队、仁烁光能（苏州）有限公司制备的1.05平方厘米的全钙钛矿叠层太阳能电池稳态光电转换效率达28.2%，刷新了该尺度全钙钛矿叠层太阳能电池的世界纪录。

基于光生伏特效应的钙钛矿太阳能电池属于典型的三明治叠层结构，该结构由中间的钙钛矿吸光层，吸光层两侧的电子、空穴传输层与最外层两侧的电极组成。钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型、平面型、无电子传输层型、无空穴传输层型等。

钙钛矿太阳能电池应用场景以光伏产业（BIPV、分布式电站和地面电站）和新能源汽车为主。该电池未来的方向主要包括提高钙钛矿电池的寿命、降低成本，注重环境友好性，防止铅泄漏，提升大面积钙钛矿电池效率。

2009年，日本的科学家小岛清（Kojima）等人制备了第一块钙钛矿太阳能电池。后来在2011年，韩国的Park课题组使用原位生长法，最后获得了光电转换效率为6.54%的钙钛矿太阳能电池。次年，韩国Park课题组与瑞士的Gratzel课题组首次将电池效率提升至9.7%。同年，英国的Snaith课题组首次在钙钛矿活性层中添加了Cl元素，将钙钛矿太阳能电池效率提升至10.9%。

2013年，钙钛矿被Science期刊评为了年度十大科学突破之一，并且钙钛矿在当时被誉为“新一代太阳能电池材料”。后来Grätzel课题组首次采用两步法的方法来沉积制备钙钛矿薄膜，最终将电池效率首次提升至15%。在2014年，韩国化学技术研究所（KRICT）的SangIlSeok课题组制备出认证效率为17.9%的钙钛矿电池，同年他们采用了一种新的液相沉积的制备工艺，最终光电转换效率达到了20.1%。2015年，韩国Seok领导的课题组经过对材料的比例进行优化，制备出了效率达20.1%的太阳能电池。

在2016年时，韩国的蔚山科技大学(UNIST)联合化学技术研究所，一起研究制备了效率高达22.1%的电池器件。2017年，Wu等人开发了一种添加剂辅助法。最终制备了效率达到19.19%的钙钛矿太阳能电池。

2018年，中国科学院半导体研究所的游经碧课题组提出了新的方法，首次把钙钛矿太阳能电池的效率提升至23.3%，不久后打破纪录，达到23.7%，并且连续两次被NREL发表的BestResearch-CellEfficiencies收录。在2019年，韩国化学技术研究所Seok课题组利用溶液旋涂法，制备出的单结钙钛矿电池获得了高达24.2%的光电转换效率。此后不久，同一小组再次将钙钛矿太阳能电池的效率记录刷新，获得了最高的效率为26.08%，经过认证后效率为25.7%。

2024年10月，南京大学谭海仁教授团队、仁烁光能（苏州）有限公司制备的1.05平方厘米的全钙钛矿叠层太阳能电池稳态光电转换效率达28.2%，刷新了该尺度全钙钛矿叠层太阳能电池的世界纪录，相关结果已被收录到国际权威的《太阳能电池效率表》。研究成果14日发表于国际学术期刊《自然》。此外谭海仁团队在制备0.05平方厘米小面积全钙钛矿叠层太阳能电池中接连取得突破，其光电转换效率最高已达30.1%。

钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型、平面型、无电子传输层型、无空穴传输层型。

介孔型钙钛矿太阳能电池由介孔结构的染料敏化电池演变而来，其中卤化物钙钛矿取代了光敏染料。后来，人们为了解决液态电解质对钙钛矿材料的腐蚀，用固态空穴导体代替了液态电解质。这一发明引起了研究人员的极大关注，从而为其他器件结构的发展奠定了基础。

介孔型钙钛矿太阳能电池一般由透明电极、电子传输层（ETL）、介孔层、钙钛矿层、空穴传输层（HTL）以及背电极组成。介孔型钙钛矿太阳能电池的特点是使用一层金属氧化物骨架层，这层骨架层不仅可以调节载流子的传输，还增加钙钛矿材料的受光面积，促进钙钛矿更好的结晶，减少电子传输层和空穴传输层的界面复合，从而提升了钙钛矿太阳能电池的 PCE。

平面型钙钛矿太阳能电池结构与介孔型类似，只是去掉了介孔层。介孔层通常需要高温烧结除去有机化合物，因此制备工艺较为复杂，并且不利于发展柔性钙钛矿太阳能电池。平面型钙钛矿太阳能电池制备工艺简单。

平面型钙钛矿太阳能电池有正置型和倒置型两种结构，又称为平面 n-i-p 型和平面 p-i-n 型，这两种电池类型主要区别是传输层的材料和位置。在正置的太阳能电池中，通过烧结，将 n 型金属氧化物沉积在导电玻璃基底上，金属氧化物层通常为 TiO2、SnO2 等，主要功能是收集电子同时阻挡空穴。这层金属氧化物要求具有高透光率、高电子迁移率，以及化学稳定性良好。

空穴传输层材料通常使用 Spiro-OMeTAD，该层要求提高空穴收集率、阻挡钙钛矿层中的光生电子、沉积工艺不能对钙钛矿膜造成破坏。对于倒置型的钙钛矿太阳能电池，其传输层的相对位置与正置型不同，将 HTL 放在透明电极的顶部。倒置型空穴迁移率低于正置型，但同时，其低温制备的可能性、在 HTL 中对掺杂剂的要求都好于正置型。此外，沉积在透明电极上的空穴传输层要有合适的带隙以吸收太阳光，倒置型中常使用的空穴传输层材料有聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）等，常用的电子传输层材料有[6,6]-苯基-C61-异丁酸丁酯（pcbm）、富勒烯（C60）。

钙钛矿作为双极半导体具有电子/空穴载流子迁移率快和扩散长度长的优点，因此钙钛矿本身或部分钙钛矿吸光层可以同时用作 ETL 和 HTL。Liu 等人制备了第一个无ETL 的 PSCs，该器件的最终效率为 13.5%，非常接近基于有 ZnO 的器件，最终证明了 ETL对于获得优异的器件效率不是本质上必要的。电化学阻抗显示，虽然去除 ZnO 会导致接触电阻的直接增加，但表面复合显著减少。Shi 等人制备了第一个无 ETL 的倒置型钙钛矿太阳能电池，其结构为 ITO/PEDOT:PSS/钙钛矿/钛（Ti）/金（Au），其中 Ti 夹层隔离了钙钛矿层和 Au 层，因此确保了 Au 和钙钛矿之间的良好接触，并大大增加了电池的分流电阻器。由于与钙钛矿直接接触的 Ti/Au 在空气中长期没有反应，并且为钙钛矿层和 PEDOT:PSS 层提供保护，避免被湿气影响，因此提高了器件的稳定性。但是该器件的开路电压较低，可能是钙钛矿和 PEDOT:PSS 能级不匹配所导致的。

由于常用的空穴传输层材料都比较昂贵，因此，无空穴传输层可以节约成本，同时还可以简化器件的制备工艺。在正置型的电池中，将金属电极直接沉积在钙钛矿薄膜上来制备无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，钙钛矿层作为活性层的同时还传输空穴。但是，由于金属电极会和 I-离子发生化学反应，故这类型的电池没有引起研究者关注，第一个无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的 PCE 为 5.5%。有研究将金属电极换成碳电极，但还未实现高 PCE的器件。2021 年，Lin 等人提出一种新的 n-CH3NH3PbI3/p-CH3NH3PbI3的同质结结构，使用太阳能电池电容模拟器分析了其作为器件的性能参数。在优化钙钛矿层的掺杂浓度、厚度值、载流子迁移率和缺陷密度的前提下，理论上该无空穴传输层的器件可以获得 25.07%的 PCE。

钙钛矿太阳能电池的工作原理是基于光生伏特效应。钙钛矿太阳能电池的工作过程包括载流子的产生、分离、传输和收集。当光照射到具有低激子结合能的钙钛矿光吸收层时，钙钛矿吸收能量大于带隙的入射光子后产生激子，并迅速解离成自由电子和空穴。得益于长载流子扩散距离，这些自由载流子在复合前有效通过钙钛矿薄膜扩散到电荷传输层。理想情况下，钙钛矿／电荷传输层界面有利的能级排列，使得电子与空穴传输层有效地提取电子与空穴。在这个过程中，电子和空穴传输层分别起到阻挡空穴和电子的作用，形成能量势垒抑制载流子复合。最后，载流子被背电极收集并经过负载外电路，形成光电流。

钙钛矿太阳能电池属于典型的三明治叠层结构，由中间的钙钛矿吸光层，电荷传输层与电极、导电玻璃组成。

钙钛矿吸光层是器件的核心部分，负责吸收太阳光并产生电子和空穴对，由具有ABX3结构（其中A为一价大尺寸阳离子，B为二价小尺寸阳离子，X则一般为卤族元素阴离子）的钙钛矿材料构成，对器件的性能与稳定性都起着决定性的作用。A、B和X的离子半径会显著影响钙钛矿材料的晶格结构，进而影响材料的表现。因此在评估钙钛矿材料的稳定性时，通常会采用通过离子半径计算出的容忍因子𝑡作为判别标准。典型的钙钛矿吸光层材料为甲胺铅碘(CH3NH3PbI3，可以简写为MAPbI3)或甲脒碘基钙钛矿（CH(NH2)2PbI3，可以简写为FAPbI3），但近年来也发展出了各种各具特点的新型钙钛矿材料：复合钙钛矿、无铅钙钛矿、无机化合物钙钛矿和二维钙钛矿等。这些新型材料在禁带宽度、稳定性、环境友好性方面都展示出了自己的优势。

电荷传输层又分电子传输层（Electrontransportlayer，ETL）和空穴传输层（Holetransportlayer，HTL），通常由具有较高载流子迁移率和透射率的有机半导体或金属氧化物材料构成，分别位于吸光层的两侧，是该类器件的重要部分，起到电荷筛选的关键作用。对于空穴传输层，由于这一层主要的作用是通过能带的选择，在收集并传输空穴的同时，阻止电子在这一方向的传输，所以一般是由具有P型半导体性质的材料构成。而电子传输层则正相反，一般由N型半导体材料构成，负责电子的传输与空穴的阻挡。目前，电子传输层材料多为较为廉价的金属氧化物，如二氧化钛、二氧化锡和氧化锌等。而空穴传输层则多为有机材料，如聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺]（Poly[胺醚(4-phenyl)(2，4，6-trimethylphenyl)amine，PTAA）和2，2'，7，7'-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9'-螺二芴（2，2'，7，7'-Tetrakis[N，N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9，9'-spirobifluorene，Spiro-OMeTAD）等。这种选择主要是出于对效率和价格的综合考量。

电极都是以具有良好导电性和化学稳定性的金属材料作为原料，经过真空蒸镀等方式制备的。光生电子和空穴分别在电子传输层和空穴传输层中被提取和传输，被电极收集。电极在器件中主要负责从传输层收集电子或空穴，并将它们导出到电路中，此外，也能将部分穿透了吸光层的入射光反射回吸光层，提升器件对光的利用率。具体来说，实验室小规模器件制备往往选择金、银等电导率高、稳定性好的材料制作电极。而商业生产则会出于成本考量，选择银、铝等成本更为低廉的材料制作电极。

导电玻璃在器件中的作用有三点。首先，是作为电池的载体，起到物理支撑的作用；其次，是作为电池的前端部分，起到光入射窗口的作用；最后，它和电极一样，起到负责从传输层收集电子或空穴，并将它们导出到电路中的电学作用。因此，导电玻璃往往是通过将导电率较高的涂层沉积在透光率较高的玻璃材料上制备的。在太阳能电池领域，应用最广泛的导电涂层是掺的氧化锡（氟dopedtinoxide，FTO）和掺锡的氧化铟（铟dopedtinoxide，ITO），部分柔性器件中选择用透明有机薄膜替代玻璃作为电池载体。在一些追求最大限度利用入射光的光操纵策略太阳能电池中，还会对导电玻璃进行一些特殊设计。这些特殊设计包括在玻璃的外表面增镀用于增加透射率、降低反射率的微纳结构光学薄膜，设计增强器件光捕获能力的周期性纳米图案。

钙钛矿太阳能电池主要是利用钙钛矿材料。钙钛矿材料是具有与钛酸钙（CaTiO3）相同晶体结构的一类材料。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿材料可以采用多种方法进行制备。首先将钙钛矿原材料按照一定的比例配置成一种或两种溶剂滴加于基底表面；然后利用基底高速旋转产生的离心作用形成液态或半固态薄膜；最后加热退火，形成结晶的钙钛矿薄膜材料。再将这种材料用于制作钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过刮涂法制备。刮涂法是一种成熟的高通量大面积薄膜制备方法。其采用涂布棒或刮刀使前驱体溶液铺展；通过控制前驱体溶液的量，狭缝高度和涂布速度来确定薄膜的厚度。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过狭缝挤出涂布制备。狭缝挤出式涂布是一种应用广泛，原料利用率高，兼容对辊印刷的低成本涂布技术，适用于钙钛矿和其它功能层的沉积。它的结构包括墨水腔、涂布头和配套的注射泵。油墨从涂布头的狭缝中流出，在表面张力作用下和基底之间形成弯月面。当基板相对涂布头移动时，前驱体溶液便可铺展于基底表面，薄膜厚度由狭缝高度，移动速度和前驱体浓度控制。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过喷涂制备。喷涂是一种适用于放大的低温喷涂技术，包括超声波喷涂、气动喷涂和静电喷涂技术。其已被应用于各种应用领域，包括各种功能薄膜和油漆的制备。它包括四个连续的阶段，分别是液滴的产生、液滴向基底的运输、液滴合并成湿膜以及干燥。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过喷墨印刷制备。喷墨印刷技术由于其精准的墨滴控制系统以及可大面积生产的优势被采用来制造高效率大面积的钙钛矿器件。在喷墨印刷钙钛矿器件中，通过优化油墨的溶剂和溶质来降低前驱体溶液中的形核率以及晶体析出速率，从而制备出高性能喷墨印刷钙钛矿太阳能器件。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过丝网印刷制备。丝网印刷是一种简单，性价比高，图案化精度高的快速印刷方式。它可以用低挥发性和高粘度的溶液或浆料在不同的基底（如塑料、玻璃或高粗糙度表面）印刷出锐利且厚度可调的图像。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过压印制备。压印是一种设备简单，成本低廉，又有其独特优势的成熟技术，是对现有钙钛矿大面积工艺的有效补充。LiyuanHan等利用甲胺MAPbI3液体配位化合物的独特特性，通过使用覆膜加压将甲胺-MAPbI3液体络合物铺展于基底上，之后撤去压力，在50℃的温和条件下将覆盖在薄膜表面的PI膜剥离。

钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿薄膜可以通过气相沉积制备。气相沉积是一种无溶剂的过程，碘化铅和有机碘化铵盐在真空室中加热汽化，利用石英晶体晶振片可以监测沉积速率和薄膜厚度。

钙钛矿一般具有ABX3结构，其中A是阳离子，一般是有机/无机化合物的一价阳离子，如甲铵根（CH3NH3+，简称为MA+）、甲脒离子（HC(NH2)2+，简称为FA+）以及子（Cs+）；B是二价阳离子，一般为Pb2+或Sn2+；X是卤素阴离子，一般为I-、Br-和Cl-。晶体结构是八个[BX6]4-单元通过共享顶点的卤族元素离子连接，构成十二面体，A位阳离子位于十二面体中心，通过范德华力与B-X框架连接。

钙钛矿材料具有带隙可调、高吸光系数(10cm)、平衡的电子和空穴迁移率、长载流子寿命和扩散长度(\u003e1mm)、缺陷容忍度高等优异的光电特性，这主要得益于具有孤对电子的Pb离子引起的独特结构。钙钛矿材料作为吸光层时具有极为优异的光学和电学性能。在光学方面，钙钛矿材料展现出了光吸收能力强、光谱响应范围合适和弱光效率高的优点；在电学性能方面，钙钛矿材料也有着载流子迁移率高、扩散距离长和缺陷容忍度高等优点。

钙钛矿太阳电池还具有高效率，成本低，工艺简单，以及可制备柔性、透明及叠层电池等一系列优点。

相比于传统的太阳能电池，钙钛矿太阳能电池存在稳定性差的问题。极易因外界环境的变化而效率骤降，乃至失效分解。此外，钙钛矿电池还具有寿命短、大面积应用时的效率损失等痛点。

目前实现钙钛矿太阳能电池环境友好化主要通过实现严密封装技术、回收再利用有毒元素、研发无铅钙钛矿薄膜等方式。

钙钛矿太阳能电池在使用过程中，可能会由于强风、降雨、冰雹等自然原因发生损坏，导致钙钛矿薄膜中铅等泄漏，污染环境。减少有毒元素暴露的一个可行的选择是开发有效的封装方法，通过防止与外界环境接触和提高抗外界冲击的机械强度来提高太阳能电池的运行稳定性，从而保持结构的完整性，以便在废弃后完整回收。

降低钙钛矿太阳能电池中铅危害的一个可行的选择是在这些材料的寿命结束时回收这些有毒元素。使用由氯化胆碱(ChCl)和乙二醇(EG)组成的深共熔溶剂(DES)，采用电沉积的方法可以回收钙钛矿薄膜中99.8%的铅，此方法无需使用挥发性有机溶剂和浓酸，与其他溶剂相比，对环境的影响大大减小。

为了将钙钛矿太阳能电池从实验室研研究阶段推向商业化应用，还必须确保其具有可靠的运行稳定性。目前钙钛矿光伏器件的寿命在标准老化条件下最多只能维持一年左右，远远低于硅基太阳能电池25年的使用寿命，这是其未来商业化应用的最大挑战之一。如何兼顾安全性和转换效果、钙钛矿太阳能电池的大规模连片生产、怎样在兼顾能量转换效率的同时减少重金属铅的利用都是当前钙钛矿太阳能电池制备的难点。

未来努力的方向包括提高钙钛矿电池的寿命、降低成本，注重环境友好性，防止铅泄漏。发展大面积钙钛矿电池效率。未来有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池。钙钛矿太阳能电池产业化发展潜力巨大。钙钛矿太阳能光伏标准专题组的成立有利于推进钙钛矿光伏电池标准化工作，填补钙钛矿光伏电池标准空白，完善钙钛矿光伏领域标准体系，助力钙钛矿光伏产业发展。之后，钙钛矿太阳能电池还会在各种场景下应用。

钙钛矿太阳能电池应用场景以光伏产业（BIPV、分布式电站和地面电站）和新能源汽车为主。

从光伏产业角度来看，钙钛矿叠加晶硅的刚性组件较其他光伏技术优势明显，可被应用于分布式电站和地面光伏电站；而钙钛矿电池质量轻、厚度小、柔性大、半透明等优良特性使其同样可被制成均匀柔和的透光、彩色玻璃柔性组件，将太阳能光伏组件的实用性与建筑设施的美学完美融合，有望成为BIPV（光伏建筑一体化）的最优解。国家能源局提出于2030年底试点地区党政机关、公共建筑、工商业厂房、农村居民屋顶安装光伏发电的比例分别达到50%、40%、30%、20%，这一政策或将推动BIPV成为钙钛矿的最佳产业化路径之一。

从新能源车角度来看，将钙钛矿电池应用于汽车太阳能车顶可提供更高的光电转化效率，从而缩短充电时间并增加续航。据仁烁光能测算，若新能源汽车顶棚全部替换为钙钛矿光伏玻璃，面积以2平方米计算，每日发电量可提升40-60公里的行驶里程。

钙钛矿太阳能电池含有铅元素，铅具有高毒性，有毒元素铅在太阳能光伏电池板中所占的质量不到1%，但是在电池制备、应用和回收的生命周期过程中如没有采取有效手段，含铅物质可能会进入土壤、地下水等。受到铅污染的土壤或水在生态系统中很难得到降解，其对环境的影响具有长期性破坏，铅进入人体血液循环系统造成的血铅将影响人的智力对身体健康造成极其严重的影响;血铅浓度过高还可能使人的免疫系统、神经系统、生殖系统、心血管系统等机能下降严重者甚至可能死亡。钙钛矿太阳能电池主要通过实现严密封装技术、回收再利用有毒元素、研发无铅钙钛矿薄膜等方式降低毒害。

2022年8月2日消息，中国科学院半导体研究所科研团队通过引入少量氯化铷，同时实现了钙钛矿太阳能电池的高光电转换效率和高稳定性，研制出的单结钙钛矿太阳能电池达到公开发表的世界最高效率。

中国科学技术大学徐集贤教授团队与合作者，针对钙钛矿太阳能电池中长期普遍存在的“钝化—传输”矛盾问题，提出了一种命名为PIC（多孔绝缘接触）的新型结构和突破方案，实现了p-i-n反式结构器件稳态认证效率的世界纪录，并在多种基底和钙钛矿组分中展现了普遍的适用性。相关研究成果于2023年2月17日发表在《科学》杂志上。2023年7月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队实现了26.1%的光电转换效率，是截止到2023年最高的单结钙钛矿太阳能电池认证效率。2023年，韩国的seok团队通过用挥发性烷基氯化胺（RAC1）控制FAPbI3钙钛矿层的结晶，器件认证光电转换效率达到了25.73％。

2024年，清华大学碳中和研究院新型电力系统研究中心、电机系易陈谊研究员团队通过开发新的空穴传输材料结合真空蒸镀钙钛矿薄膜实现了26.41%的钙钛矿太阳能电池世界最高效率纪录。