1、导读>>  

相对于广泛研究的有机-无机杂化钙钛矿，全无机钙钛矿的组分在高温、氧气和湿度环境下具有优越的稳定性，其制备的叠层太阳电池（TSCs）综合潜力更大。本文首次综述了国内外关于全无机钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池的最新研究进展；也对当前面临的挑战进行了系统且全面的分析，并提出了合理的解决方案。此外，还展望了全无机钙钛矿及其与晶体硅叠层太阳电池的未来研究方向。本工作为钙钛矿叠层太阳电池的持续发展提供了一些有意义的见解和参考。

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Cite this article：

Wu H, Sun Z, Li H, et al. Review of all-inorganic perovskites and their tandem solar cells with crystalline silicon. Energy Materials and Devices, 2024, 2(3): 9370045.

DOI:

https://doi.org/10.26599/EMD.2024.9370045

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2、背景介绍>>  当前，对于广泛研究的有机-无机杂化钙钛矿电池，其体系中的有机组分在高温、湿氧环境下，容易发生分解，从而导致钙钛矿光活性层失效，进而影响光电性能和稳定性、最终破坏电池的完整性。例如，有机-无机杂化钙钛矿材料MAPbI₃容易分解成PbI₂和MAI，其中MAI在高温下将进一步分解为CH₃NH₂和HI，甚至分解为CH₃I和NH₃。而全无机钙钛矿材料则拥有良好的热稳定性，在相同环境条件下仍能维持原有组分。另外，用全无机钙钛矿制备的太阳电池也同样具有优异的光电性能，且未来潜力巨大、前景广阔。目前，常用的几类单结太阳电池，其PCE已发展到十分接近该类电池的理论极限，进一步提升的空间变得越来越小。而采用不同带隙材料组合的叠层太阳电池，因其能够充分利用太阳光谱中多个波段的光子能量，则可以突破单结电池的理论效率极限实现更高的效率能量转换。本文全面梳理和总结了单结全无机钙钛矿电池、双结叠层太阳电池的发展现状，包括组分调控、工艺优化及效率提升等关键因素及存在的问题，并且提出了合理的解决思路与建议。同时，展望了全无机钙钛矿及其与晶体硅叠层太阳电池的未来研究方向，希望能为钙钛矿叠层太阳电池的发展提供新的思路和有益参考。   3、图文介绍>>  

目前，关于钙钛矿相关太阳电池的研究，多PN结的叠层太阳电池总体数量远少于单PN结太阳电池。在现有的钙钛矿相关的TSCs研究文献中，主要集中在铅基有机-无机杂化的四端结构TSCs，如铅无机/铅杂化的全钙钛矿四端叠层，铅杂化/晶体硅的四端叠层等。另外，当前在商业化应用方面，由于钙钛矿太阳电池整体研究时间短，相关理论和技术还不够成熟和完善，而各家企业为了争相媲美好看的效率数据及为获得市场投资青睐等原因，基本上都采用受热易分解的有机-无机杂化钙钛矿，再结合工艺相对繁琐成本较高的四端结构，并且钙钛矿子电池的电荷传输层通常还采用高效但制备工艺复杂、价格昂贵的有机类材料（如常用的有机HTL材料Spiro-MeOTAD等），以制备高效TSCs。显然，这里面存在一系列问题，一是不符合经济性和简约性要求。二是不符合长远性要求，按照光伏行业标准，对于大规模商用的太阳电池组件，在长年风吹日晒雨淋等露天环境下，甚至许多大型光伏电站建设在沙漠、戈壁滩等夏季地表温度高达70℃以上的地带，均要求设计使用寿命达到25年左右；鉴于此，如果太阳电池中的重要组成部分或功能层（如钙钛矿吸收层或电荷传输层）采用了相对易老化和分解的有机组分材料，电池器件的整体稳定性及寿命必然会受到很大影响。

图14. 有效面积为1cm²的钙钛矿/晶硅TSCs：(a) 结构示意图；(b) 横截面SEM图；(c)最优电池的光照和暗态J-V曲线和MPP点跟踪PCE（插图）；(d)最优电池的EQE曲线^[129]。

图15. (a)获得最大PCE而优化顶部子单元的两端结构TSCs示意图；(b)优化后的顶子单元、底子单元和两端结构 TSCs的J-V特性；(c) 优化后的顶子电池与底子电池串联配置的QE。

图16. CsPbI_xBr_3-x/晶体硅叠层太阳电池的性能：(a) CsPbI_xBr_3-x/晶体硅叠层太阳电池结构示意图；(b) CsPbI_xBr_3-x/晶体硅叠层太阳电池的SEM横截面图;  (c)顶部不透明电池、半透明电池和两端叠层太阳电池的J-V特性；(d)二氧化氮环境下处理CsPbI_xBr_3-x/晶体硅叠层太阳电池，在1500 s的MPP跟踪期间，稳态效率为21.95%。

相对而言，所有功能层均为无机材料的全无机钙钛矿/晶体硅TSCs则具有更明显的综合优势。但目前，其自身仍存在一些尚待解决的问题，比如全无机钙钛矿/晶体硅TSCs中最有发展潜力的两端结构TSCs，其短路电流由两个子电池中较小的一个决定，因此，要求两子电池的短路电流应尽量相近以达到理想匹配；另外，顶电池薄膜直接沉积在底电池晶体硅上，而又要求顶电池功能层的制备不能影响底电池性能，因此，对于绒面结构的晶体硅底电池上制备高性能钙钛矿电池是一个不小的挑战；以及中间互联层隧道结也需要深入探索研究等。

 4、总结与展望>>

当前，尽管全无机钙钛矿/晶体硅TSCs路线存在一些亟待解决的问题，但其综合优势突出，从光伏行业长远发展角度看，相信一定会有巨大的发展潜力和前景。因此，对于全无机钙钛矿/晶体硅TSCs未来的研究，应当重点探索优异的无机钙钛矿材料及叠层电池制备工艺，如提高钙钛矿吸收层的结晶质量，减少晶界和表面缺陷态，抑制离子迁移和相分离；开发低光电损失的宽带隙顶电池技术以；开发探索优异的无机ETL、无机HTL材料及制备工艺，如通过修饰载流子传输层或掺杂提高载流子提取能力等；以及攻克顶底电池融合问题，如通过优化顶底子电池的能级匹配、电流匹配，改善光学管理措施以减少反射损失和寄生吸收；探索掺杂浓度合理且性能优异的隧道结材料作中间互联层；以期通过上述各项努力，最终能制备真正环保、经济、高效、长寿且工艺简单的全无机钙钛矿/晶体硅TSCs。

 5、通讯作者>>  

陈秀华，云南大学材料与能源学院，教授，博士生导师；主要从事新能源环境材料、新型太阳能电池材料、半导体超大规模集成电路布线材料，围绕光伏产业太阳能硅基材料及器件、纳米多孔硅制备及在重金属环境治理方面的应用、信息产业超大规模集成电路硅基布线及互连薄膜材料开展相关研究工作。

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