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2 应力与应变诱导的电流失配及卤化物相分离

图3 常见颗粒物与生物污染物及其物理化学特性

图4 环境湿度、应力等诱导的膜层退化与分离

图5 局部阴影与电势诱导衰减

图6 影响PSTSCs性能的关键安装与环境参数

图7 硅基织构设计对钙钛矿薄膜沉积与光管理的影响

图8 PSTSCs的长期运行稳定性及商业化路线

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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关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

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CiteScore 26.7

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Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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