科学网-EMD | 华中科技大学杨君友/李鑫等综述：环保型无铅低铅钙钛矿型太阳能电池-清华大学出版社学术期刊的博文

EMD | 华中科技大学杨君友/李鑫等综述：环保型无铅低铅钙钛矿型太阳能电池

2026-8-4 09:03

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1. 导读

钙钛矿太阳能电池光电转换效率提升显著，但含铅版本存在环保隐患，催生无铅、低铅研究。文章综述其最新进展，重点梳理材料设计、性能与稳定性优化：锡基无铅电池效率达 18%，却受离子氧化、载流子及稳定性问题制约；锡铅混合低铅电池单结、串联器件效率分别超 24%、28%。同时综述其他金属基及双钙钛矿的结构局限与优化思路，指出商业化仍受稳定性、带隙调控、规模化制备等难题限制，为环保高效无铅电池发展提供参考框架。

2. 背景介绍

太阳能是优质清洁能源，钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借光电转换效率大幅跃升，十年内效率从3.8%突破26%，成为光伏领域研究热点，有望媲美传统硅基电池。这类电池遵循ABX³晶体结构，主流为铅基体系，但铅的存在会污染水土、危害生态与人体健康，推动了无铅、低铅PSCs的研发。

锡基无铅钙钛矿光电理论性能优异，可通过离子调控优化性能，却受稳定性差、载流子迁移率低的问题制约。锡铅混合低铅钙钛矿可弥补纯锡材料短板，通过配比调控、界面优化等方式，效率突破20%且稳定性大幅提升，商业化潜力突出。此外，铋系钙钛矿耐潮湿、不易降解，双钙钛矿带隙可调、电荷传输性能优良，均为优质备选材料。目前行业缺乏各类无铅、低铅体系的全面对比研究，本文综述各类体系研究进展，剖析现存瓶颈，指明了商业化发展方向。

3. 图文介绍

本文综述了无铅和低铅PSCs的最新研究进展，重点介绍了材料设计、性能优化和稳定性的提高。

首先作者研究了锡(锡)基钙钛矿，这是研究最广泛的无铅体系。尽管获得了高达18%的PCE，但它们的实际应用受到Sn²⁺氧化、高背景载流子密度和长期稳定性的限制。

图1 (a)FASnI₃胶片的Tauc图显示吸收开始，插页显示FASnI₃胶片的图像(b)FASnI₃：20%SnF₂和纯FASnI₃薄膜的XPS谱，后者显示明显的Sn⁴⁺信号，这些薄膜是从手套盒条件下储存一夜的前体溶液中沉积出来的(c)显示没有添加SnF₂的FASnI₃前体溶液颜色变化的照片FASnI₃(d)和FASnI₃：20%SnF₂(e)钙钛矿薄膜在介孔TiO₂层上沉积的顶视FESEM图像 (f)FASnI₃：30%SnF₂表面观察到的纳米血小板样结构的放大图。经参考文献许可转载 (g)x=0、10、20和30的E1Gx薄膜表面的高分辨率X射线光电子能谱(Sn3d)(EyGx表示Ga_xFA₁₋_x₋_2ySnI₃₋_yEDAI₂)

然后讨论了锡铅(锡铅)混合钙钛矿作为一种平衡环境安全性和高性能的低铅策略，在单结电池中实现了超过24%的认证效率，在串联器件中实现了超过28%的认证效率。

图2 (a)串联太阳能电池的示意图，其中较高能量的光子被带隙较宽的半导体(蓝色)吸收，较低能量的光子被较窄带隙的半导体(红色)吸收。双端(2T，b)和四端(4T，c)串联太阳电池的结构。(d)全钙钛矿型叠层太阳能电池的横截面扫描电子显微镜图像(e)串联太阳能电池的器件结构(f)表现最好的小面积串联电池的外部量子效率谱，显示前、后子电池的JSC值分别为15.7和15.5 mA cm⁻²

作者对其他金属基钙钛矿和双钙钛矿的电子结构限制和潜在的优化策略也进行了综述。

图3 AB²⁺X₃钙钛矿(a)CsGeI₃、MAGeI₃和FAGeI₃与CsSnI₃的光学吸收光谱(b)相应能级的示意图 (c)用不同的卤化锗钙钛矿制备的器件的J-V曲线 (d)计算了MACaI₃、MABaI₃、MASrI₃和MAPbI₃沿M-Γ-Z路径的能带结构 (e-j)假想钙钛矿的球棒模型和能带结构：CsMgI₃ (e，f)CH₃NH₃MgI₃(g，h)和CH(NH₂)2MgI₃(i，j)

最后，作者强调了关键的挑战和未来的方向。商业化仍然受到材料稳定性、带隙调谐和可扩展制造等问题的制约。

表1 无铅双钙钛矿的性能研究

4. 总结与展望

无铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）是兼具环境友好性与经济效益的前沿光伏技术。当前铅基钙钛矿虽光电性能优异，但生态毒性问题推动了无铅体系的研发。其中锡基、双钙钛矿等无铅体系优势显著，各类改性技术亦持续优化器件性能。现阶段无铅PSCs仍存在稳定性不足、电荷传输性能欠佳等问题，且优异成果多局限于实验室小面积器件，规模化制备效率衰减明显，同时低铅体系仍存在铅泄漏风险。未来需依托材料改性、结构创新、封装优化及规模化工艺革新，推动其产业化落地，助力光伏领域低碳可持续发展。

5．作者简介

李鑫，华中科技大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师，华为东湖青年学者（2024）。2019-2022年先后于美国加州大学伯克利分校（合作导师：Prof. Joel Ager）、德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心（合作导师：Prof. Steve Albrecht）、新加坡国立大学（合作导师：Prof. Armin Aberle和Dr. Serena LIN Fen）从事博士后研究。近年来主要从事微纳光电子、电磁功能以及有机无机复合热管理材料方面的研究工作，先后主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、企业横向等项目。截止目前，发表SCI收录论文100余篇，其中一作/通讯作者文章50余篇，包括Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Energy等。担任Carbon Neutralization、Renewables、Exploration、Rare Metals、EcoEnergy等期刊青年编委。

个人主页：http://faculty.hust.edu.cn/lixin1126/zh_CN/index.htm

杨君友 ，华中科技大学材料科学与工程学院教授(二级)、博士生导师。华中科技大学“华中学者”特聘教授。近年来主要从事半导体热电材料与器件、太阳能电池、电池热管理系统及相关材料以及半导体测试技术及装备的开发相关的研究工作。已在Advanced Energy Materials、Journal of the American Chemical Society、ACS Nano、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、Acta Materialia等国际一流学术期刊上以第一作者和通讯作者身份发表相关论文150余篇，获国家发明专利授权7项，合作申请日本专利3项。指导博士生曾获“全国百篇优秀博士论文提名奖”一项，“湖北省优秀博士论文奖”两项，校优秀博士学位论文奖3项。主持完成了二十多项国家和省部级科研课题的研究工作，曾应邀为Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、JACS、Nano Energy等重要学术期刊的审稿人，研发了Namicro系列半导体热电参数测试系统。

个人主页：http://faculty.hust.edu.cn/yangjunyou/zh_CN/index.htm

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。