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专刊 | 半导体学报(英文)2025年第5期——钙钛矿太阳能电池专刊
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钙钛矿太阳能电池专刊
金属卤化物钙钛矿作为一类新型半导体光电材料，兼具无机半导体优异的光电特性与有机半导体低成本、可印刷制备的优势，成为半导体光电器件领域的前沿研究热点。近年来，钙钛矿太阳能电池研究取得了一系列重要进展：单结电池效率突破27%、平方米级模组效率超18%、实验室测试稳定性达万小时、外推稳定性达数万小时、GW级产线初步建成。此外，钙钛矿基叠层电池蓬勃发展，钙钛矿/晶体硅叠层效率接近35%。其中，晶圆尺寸钙钛矿/硅叠层电池效率已超越单结硅电池，同时钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/有机、钙钛矿/铜铟镓硒（CIGS）叠层电池也取得重要突破。由此，我们坚信钙钛矿太阳能电池是极具发展潜力的光伏技术。
《半导体学报（英文）》邀请游经碧研究员担任特约编辑，组织了本期“钙钛矿太阳能电池”专刊，系统梳理了钙钛矿太阳能电池的最新进展。我们有幸邀请到12位深耕于钙钛矿太阳能电池领域的研究者，共同总结该领域近期的重要突破，凝练领域内杰出成果。专刊内容包含4篇综述，涉及柔性钙钛矿太阳能电池及在其航天领域的应用、钙钛矿−有机集成太阳能电池、氧化镍基钙钛矿太阳能电池，以及高性能钙钛矿材料甲脒铅碘（FAPbI3）；5篇研究论文覆盖钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池、无铅钙钛矿太阳能电池、钝化与添加剂在提升器件性能中的作用。此外，特别邀请两篇研究热点，第一篇聚焦当前光伏技术最重要的研究方向之一——钙钛矿/硅叠层电池，不仅学术界在该领域持续深耕，众多头部硅基材料相关企业也纷纷涌入该领域；第二篇探讨钙钛矿均质化处理这一关键方向，该技术有望成为进一步提升器件效率与稳定性的重要突破口。最后，我们邀请了一篇评论文章，深入解析有机与钙钛矿半导体太阳能电池界面能相关的问题。我们衷心希望本专刊论文能为工作在这一热门领域的研究者提供有益参考。
本期专刊已在《半导体学报（英文）》2025年第5期正式出版，欢迎阅读！
综述
1 柔性钙钛矿太阳能电池及其航空航天应用前景
传统的刚性钙钛矿太阳能电池在应用中受到重量和灵活性的限制，难以满足航空航天、可穿戴电子设备等领域对轻质、柔性、高效太阳能电池的需求。在此背景下，柔性钙钛矿太阳能电池（Flexible Perovskite Solar Cells, f-PSCs）应运而生。f-PSCs不仅继承了钙钛矿材料的高效率和低成本特点，还通过采用柔性基底和低温制备工艺，实现了轻质化和可弯曲性，使其在航空航天、高空飞行器、可穿戴电子设备等对重量和形状适应性要求极高的领域展现出广阔的应用前景。然而，f-PSCs在实际应用中仍面临诸多挑战，包括进一步提高光电转换效率、增强机械稳定性、提升环境适应性以及开发适合大规模生产的制备工艺等。本综述旨在系统回顾柔性钙钛矿太阳能电池的最新研究进展，探讨其在航空航天领域的应用潜力包括近地空间飞行器，微纳卫星等，如图所示，并分析当前阶段亟待解决的关键科学和技术问题，以期为该领域未来的发展提供参考和指导。
图1.（a）哈瑟尔特大学科学家利用高空气球对不同类型太阳能电池进行的飞行验证；（b）MAPHEUS-8mission中太阳能电池测试的示意图；（c）中国科学家利用临近空间气球进行的钙钛矿太阳能电池飞行测试；（d）搭载钙钛矿组件的“鸿鹄二号”卫星；（e）Felix Lang团队用于开展钙钛矿叠层太阳能电池实验的卫星。
该文章以题为“Recent development of flexible perovskite solar cells and its potential applications to aerospace”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Recent development of flexible perovskite solar cells and its potential applications to aerospace
Shaoqi Bian, Guangshu Xu, Shufang Zhang, Qi Jiang, Xiaoguang Ma, Jingbi You, Xinbo Chu
J. Semicond. 2025, 46(5), 051801 doi: 10.1088/1674-4926/24090031
2 钙钛矿/有机集成太阳能电池的演变：从早期挑战到前沿材料创新
钙钛矿/有机集成光伏电池在保持钙钛矿电池的开压情况下，通过有机半导体成分拓宽近红外太阳光子的吸收，突破了钙钛矿电池短路电流密度极限，这一独特的“并联”现象是突破单结电池效率极限的潜在技术之一。但至今，载流子传输机制仍然不清晰，尚无有效的电学模型解释这独特的“并联”现象。与此同时，不同于叠层电池，集成电池在结构上省去了隧穿结，直接将钙钛矿和有机体异质结堆叠，因而器件结构和制造工艺更简单，成本下降潜力大。因此，针对钙钛矿/有机集成光伏电池的研究，既赋有重要的科学意义，又具有重要的技术价值。目前该研究在界面载流子输运机制、界面能级匹配、新材料设计与合成、薄膜微观结构等方向上仍需要投入研究力量，实现该领域的跨越式突破。
近日，南方科技大学何祝兵教授课题组对钙钛矿/有机集成光伏电池的研究现状进行了系统的综述（图1）。综述从器件结构、工作原理、有机半导体材料等方面总结了集成电池的进展。进一步，综述探讨集成电池性能提升策略，包括增强载流子传输、拓宽吸收光谱、界面能级匹配、体异质结形貌调控、以及界面工程等。光电流密度方面。系统全面地总结了集成电池近年来的发展形势。作者还重点介绍了促进集成电池跨越式发展所依赖的的新兴材料设计与开发。最后，在全面分析的基础上，作者提出了材料开发和器件界面能级工程将是钙钛矿/有机集成电池性能未来大幅提升的关键举措，对集成电池的科学意义揭示与商业化具有重要意义。
该文章以题为“The evolution of integrated perovskite-organic solar cells: from early challenges to cutting-edge material innovations”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
The evolution of integrated perovskite-organic solar cells: from early challenges to cutting-edge material innovations
Zia Ur Rehman, Francesco Lamberti, Zhubing He
J. Semicond. 2025, 46(5), 051802 doi: 10.1088/1674-4926/24100034
3 磁控溅射NiOx钙钛矿太阳能电池
钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，相较于传统单晶硅、多晶硅太阳能电池技术，表现出低成本、高效率、易于加工等优势。目前，实验室环境下钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已突破27%，超越晶硅电池，展现出强劲的技术潜力。NiOx作为关键的p型半导体材料，具备高光学透过率、高空穴迁移率、良好的环境耐受性和化学性质稳定的特点，使其成为钙钛矿太阳能电池中空穴传输层材料的理想之选。为了进一步提升效率和稳定性、推动商业化进程，仍需对NiOx薄膜制备工艺、光电特性及其与钙钛矿界面特性进行不断优化。
近日，南京工业大学陈永华教授课题组对钙钛矿太阳能电池中的磁控溅射NiOx技术研究进展进行了综述。首先，总结了磁控溅射NiOx薄膜的光电性能，并系统分析了磁控溅射过程及其对NiOx薄膜性能的影响。然后，回顾了基于磁控溅射NiOx钙钛矿太阳能电池的最新进展，详细分析了磁控溅射NiOx与钙钛矿之间的关键界面问题，并讨论了进一步改善器件性能的潜在策略。最后，展望了制约磁控溅射NiOx钙钛矿太阳能电池发展的关键挑战以及可能的解决方法。
该文章以题为“Magnetron sputtering NiOx for perovskite solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Magnetron sputtering NiOx for perovskite solar cells
Xiangyi Shen, Xinwu Ke, Yingdong Xia, Qingxun Guo, Yonghua Chen
J. Semicond. 2025, 46(5), 051803 doi: 10.1088/1674-4926/24100032
4 多晶相FAPbI3钙钛矿研究进展：另一个视角看待光不活泼δ相
近年来，有机-无机卤化物钙钛矿（Organic-inorganic halide perovskites）在光电器件领域引起了极大的研究兴趣。对可替换不同组分的ABX3结构卤化物钙钛矿来说，α-FAPbI3是其中极为重要的一种材料，具有良好的光电特性和合适的带隙（1.48 eV）适合用作光伏等功能器件的活性层。然而，FAPbI3的α相并非室温下的热力学稳定相，室温下不可避免地会相变到δ相。而δ-FAPbI3具有光不活泼性和电子绝缘性（带隙约为2.88 eV），基于δ-FAPbI3的太阳能电池的能量转换效率长期低于1%。因此，普遍认为δ-FAPbI3是室温下限制α相应用、需要避免生成的“副产物”。
尽管许多研究证明了上述观点，但一个自然而然产生的问题是，δ-FAPbI3是否可用于功能型应用。由于δ-FAPbI3与α-FAPbI3截然不同的光、热性质，且两相晶格匹配在室温下可以良好共存，如果δ-FAPbI3用于功能型应用将极大促进FAPbI3的应用。首先，α-FAPbI3和δ-FAPbI3不同性质的根源需要理清；其次，研究相变是如何产生的以及是否可控也很重要；最后，在上述基础上，探索δ-FAPbI3功能型应用的可能性。
因此，我们结合以往的报道和本课题组的研究成果，对这些方面进行了系统的总结，希望能从另一个角度来看待“副产物”δ-FAPbI3，推动多晶相FAPbI3的发展：
1）详细分析和解释了α-FAPbI3和δ-FAPbI3性质截然不同的原因。由于δ-FAPbI3具有低维的一维六边形结构，自俘获的势垒降低，从而导致更强的非谐电子-声子耦合。因此，载流子和声子的传输在δ-FAPbI3中受到严重抑制，δ-FAPbI3的载流子迁移率较α相低约20倍，热扩散率约为α相的三分之二。
2）给出了α-FAPbI3和δ-FAPbI3之间可控相变的策略。从α-到δ-FAPbI3的转变是一个吉布斯自由能降低的过程，温度和压力等外部能量可导致从δ-FAPbI3到α-FAPbI3的相变。例如，可以利用聚焦激光束的瞬时高温（>150 ℃），在δ-FAPbI3表面激光直写实现微区δ到α的转变。
3）基于α-FAPbI3和δ-FAPbI3之间的性质差异和可控相变，δ-FAPbI3可通过与α-FAPbI3结合实现功能应用。因此，本文总结了α/δ-FAPbI3功能应用的最新进展，并根据我们的经验提出了一些潜在的应用。相信这篇综述会给被认为光电性质极差的δ-FAPbI3提供另一个视角，从而为多相FAPbI3的进一步发展提供启示。
该文章以题为“Advances in multi-phase FAPbI3 perovskite: another perspective on photo-inactive δ-phase”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Advances in multi-phase FAPbI3 perovskite: another perspective on photo-inactive δ-phase
Junyu Li, Songwei Zhang, Mohd Nazim Mohtar, Nattha Jindapetch, Istvan Csarnovics, Mehmet Ertugrul, Zhiwei Zhao, Jing Chen, Wei Lei, Xiaobao Xu
J. Semicond. 2025, 46(5), 051804 doi: 10.1088/1674-4926/24100024
研究论文
5 PbI₂多功能特性助力钙钛矿纳米线自驱动探测器达成0.1 nW/cm²级光强探测
钙钛矿材料因其高光吸收系数、高载流子迁移率、可调带隙以及低成本和简单的合成方法，在太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域展现出广泛的应用潜力。具有自驱动特性的钙钛矿光电探测器（PDs）不仅可以利用钙钛矿的优异特性赋予器件快速响应时间、高响应度和高探测率，还因其不需要外部偏置电压而表现出低能耗特性，在环境监测、森林火灾预警、医疗诊断和生命科学等多个领域具有广阔的应用前景。高性能的自驱动钙钛矿光电探测器通常需要电子/空穴传输层来实现高效的载流子提取。然而，这些传输层的存在往往导致钙钛矿/传输层界面质量较差，从而限制了器件的性能和稳定性。因此，设计一种结构更简单、界面更少且具有自驱动性能的光电探测器显得非常必要。
近日，东莞理工学院周海特聘教授课题组报道了一种新颖的器件结构，即在PbI₂上原位制备钙钛矿纳米线，其中PbI₂既作为反应原料，又作为高效的载流子提取层。通过优化PbI₂的厚度、纳米线生长时间和离子交换时间，构建了一种具有ITO/PbI₂/CsPbBr₃/碳结构的自驱动光电探测器。优化后的器件展现出卓越的性能，响应度达到0.33 A/W，探测率高达3.52 × 10¹³ Jones。此外，该器件能够检测到光功率低至0.1 nW/cm²的光信号。这项研究为制备结构简单但性能卓越的钙钛矿纳米/微米器件提供了一种新方法。
该文章以题为“Multi-functional PbI2 enables self-driven perovskite nanowire photodetector with ultra-weak light detection ability”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Multi-functional PbI2 enables self-driven perovskite nanowire photodetector with ultra-weak light detection ability
Yapeng Tang, Bo’ao Xiao, Dingjun Wu, Hai Zhou
J. Semicond. 2025, 46(5), 052801 doi: 10.1088/1674-4926/24110016
6 乙肼草酸盐抑制亚锡离子氧化以实现高性能全钙钛矿叠层太阳能电池
传统化石能源由于会排放二氧化碳导致严重的环境问题，因此寻找清洁能源以替代传统的化石燃料，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。太阳能是一种清洁、环保、大量的一次能源，同时可以满足不同应用场景的需求，因此发展和利用太阳能具有重要的价值。太阳能电池是利用太阳能最主要的方法之一，在众多太阳能电池技术中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其具有成本低、光电转换效率高的优势，受到光伏行业的广泛关注。然而，受肖克利-奎伊瑟极限（S-Q）的制约，单结钙钛矿太阳能电池的极限效率只有33%，影响了其进一步的发展。为突破单结电池的S-Q效率极限，构建全钙钛矿叠层太阳能电池成为提升光电转换效率的有效策略。锡铅窄带系钙钛矿电池是全钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，然而，相较于目前高效率的纯铅基钙钛矿太阳能电池，锡铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率远低于其理论最大值，制约了全钙钛矿叠层太阳能电池的发展。锡铅钙钛矿太阳能电池效率低主要是因为其组分中的亚锡离子（Sn2+）易被氧化为锡离子（Sn4+），以及含锡的钙钛矿材料结晶速率快，难以控制薄膜结晶，导致材料的上下界面和晶界处缺陷浓度高。
近日，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室童金辉课题组通过将乙肼草酸盐（EDO）引入到钙钛矿/ETL界面，EDO中的羧酸以及肼基团与锡铅钙钛矿发生相互作用，有效抑制了Sn2+的氧化并提高了其结晶质量。通过EDO改性的锡铅钙钛矿太阳能电池最高效率达到21.96%，同时具有良好的可重复性。此外，通过与宽带隙钙钛矿太阳能电池组合，构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池达到了27.58%的效率。该策略为抑制Sn2+的氧化提供了有效的解决方案，推动了全钙钛矿叠层太阳能电池的发展。
全钙钛矿叠层太阳能电池由于所有子电池都采用钙钛矿材料，因此具有低成本、高效率的优势，是重要的钙钛矿叠层电池技术。本研究通过探究钝化材料与锡铅钙钛矿的相互作用机制，有效抑制了亚锡离子的氧化，提升锡铅子电池的性能，从而大幅提升了全钙钛矿叠层太阳能电池的效率以及稳定性，对于推动全钙钛矿叠层太阳能电池技术的研究和应用具有重要的价值。
该文章作为专刊封面文章，以题为“Minimizing tin (Ⅱ) oxidation using ethylhydrazine oxalate for high-performance all-perovskite tandem solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Minimizing tin (Ⅱ) oxidation using ethylhydrazine oxalate for high-performance all-perovskite tandem solar cells
Jianhua Zhang, Xufeng Liao, Weisheng Li, Yutian Tian, Qinyang Huang, Yitong Ji, Guotang Hu, Qingguo Du, Wenchao Huang, Donghoe Kim, Yi-Bing Cheng, Jinhui Tong
J. Semicond. 2025, 46(5), 052802 doi: 10.1088/1674-4926/24120026
7 无铅锑铋合金卤化物钙钛矿太阳能电池的组分工程
近年来，锑基和铋基钙钛矿由于其较低的毒性和优异的稳定性，引起了研究人员的极大兴趣。然而，锑基、铋基的A3B2X9钙钛矿材料存在带隙过宽、缺陷态密度大、薄膜质量差等问题，这些缺点阻碍了器件效率的提高。大量工作揭示了X位的元素差别造成的A3B2X9非铅钙钛矿结构和性质的显著变化，而B位元素的改变所带来的影响则尚待研究。
最近，绍兴文理学院的浙江省MEMS工程研究中心的叶秋枫团队提出了一种全新的锑铋合金化策略来提高A3B2X9非铅钙钛矿太阳能电池的性能。首先将锑元素按照不同比例加入进二维的Cs3Bi2I6Br3钙钛矿中，使锑元素和铋元素合金化形成一种Cs3(SbxBi1-x)2I6Br3钙钛矿。在旋涂过程中，使用异丙醇作为反溶剂使钙钛矿快速成核以抑制晶体不受控制地生长。通过系统地改变锑、铋两种元素之间的比例，发现当B位同时含有锑、铋两种元素时，钙钛矿薄膜的质量更高，并拥有更合适的带隙。当锑元素和铋元素的比例为1:1时(x = 0.5)，钙钛矿具有最平整致密的薄膜、最大的光致发光强度并表现出更好的光伏性能。最终，基于这一比例制备的器件获得了1.01 V的开路电压和0.645%的光电转换效率。这项工作为A3B2X9非铅钙钛矿太阳能电池及探测器的研究提供了一种新的思路。
图1.（a）旋涂过程的示意图；（b）器件结构；（c）Cs3(SbxBi1-x)2I6Br3钙钛矿的晶体结构；（d）不同锑-铋比例的钙钛矿薄膜光学图像。
图2. 不同的Cs3(SbxBi1-x)2I6Br3钙钛矿的（a）吸收光谱、（b）Tauc图和带隙、（c）光致发光光谱和（d）器件的J–V特性曲线。
该文章以题为“Compositional engineering for lead-free antimony bismuth alloy-based halide perovskite solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Compositional engineering for lead-free antimony bismuth alloy-based halide perovskite solar cells
Ziyu Cai, Junchi Zhu, Chenyuan Ding, Tao Dong, Boyang Yu, Wenzheng Hu, Jiayi Xie, Feng Ye, Qiufeng Ye, Zebo Fang
J. Semicond. 2025, 46(5), 052803 doi: 10.1088/1674-4926/24120038
8 聚氨基酸促进钙钛矿结晶及晶体稳定用于制备高效稳定的光伏器件
钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率（PCE）和低成本制备潜力，成为第三代光伏技术的研究热点，其PCE已从最初的3.8%迅速提升至27%。然而，钙钛矿材料的稳定性问题严重制约了其实际应用。钙钛矿晶体对外界环境（如水分、氧气、温度和光照）高度敏感，易发生分解，导致器件性能退化。此外，钙钛矿薄膜的结晶质量（如晶粒尺寸和取向）直接影响器件效率，但现有方法在调控成核密度和晶体生长速率方面仍面临挑战。
安徽大学物质科学与信息技术研究院郑海英课题组联合大连交通大学和中国科学院固体物理研究所，提出了一种基于聚-L-赖氨酸氢溴酸盐（PLL）的聚合物添加剂策略，显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。PLL通过C=O基团与钙钛矿前驱体中的Pb2+相互作用，调控胶体聚集状态，降低成核密度，促进大尺寸、高结晶度钙钛矿薄膜的形成。其长链疏水结构锁定了钙钛矿晶体，有效阻隔水分侵入，同时抑制离子迁移和缺陷形成。PLL修饰的器件PCE从22.20%提升至23.66%，迟滞效应显著降低（从2.65%降至0.70%），并在湿热环境下展现出卓越的稳定性（45±5%湿度下4080小时后保持91%初始效率）。
该研究为制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新思路，PLL的生物相容性和可降解性进一步契合绿色能源发展需求。未来可通过优化聚合物结构或与其他功能材料复合，进一步推动钙钛矿光伏技术的商业化进程。
图1.（a）PLL 的化学结构；（b）PbI2、PLL 和 PLL + PbI2 的傅立叶变换红外光谱；（c）PLL 与钙钛矿之间的相互作用力示意图；（d）PLL 抑制离子迁移的机理示意图。
该文章以题为“Polyamino acid-mediated crystallization and crystal stabilization in perovskite for efficient and stable photovoltaic devices”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Polyamino acid-mediated crystallization and crystal stabilization in perovskite for efficient and stable photovoltaic devices
Chaoyang Wu, Chao Wang, Feifan Chen, Xinhe Dong, Jiajiu Ye, Haiying ZhengJ. Semicond. 2025, 46(5), 052804 doi: 10.1088/1674-4926/25030040
9 PEAI/OAI双层界面工程协同缺陷钝化制备高性能钙钛矿太阳能电池
钙钛矿材料已展现出优越的光电效能，显著推动了钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率的飞速提升。过去十余年间，通过组分工程、溶剂工程、晶体生长调控及表面钝化技术的突破，其光电转换效率（PCE）已跃升至27.0%以上。然而，PSCs的商业化进程仍受制于长期稳定性不足的关键挑战。钙钛矿薄膜的不稳定性主要源于晶界、体相及电荷传输层界面处的缺陷。这些缺陷作为复合中心、离子迁移通道和降解源，共同制约了器件效率与服役寿命。界面缺陷（尤其钙钛矿薄膜上表面）因覆盖不完整、晶格失配及工艺过程中的化学不稳定性而尤为突出。其会诱发非辐射复合、降低电荷提取效率并加速水分诱导的降解，凸显了开发有效界面钝化策略的迫切性。
为应对缺陷诱导的能量损失，大量研究聚焦于界面工程设计。早期策略采用路易斯碱配体（如苯乙基碘化铵，PEAI），通过配位作用钝化Pb2+缺陷。后续研究者亦尝试构建交联1D/3D异质结构，以钝化晶界并抑制离子迁移。然而，单一组分钝化策略仍难以应对界面缺陷的复杂性。小分子或无法中和深能级陷阱，甚至引入界面能垒；而2D结构因有机基团阻碍电荷传输。而且，此类方法常需复杂合成工艺或面临不可预测的界面动力学问题，亟需更简洁高效的解决方案。
近期，中国科学院合肥研究院固体物理研究所叶加久副研究员等人提出一种基于苯乙基碘化铵（PEAI）与正辛基碘化铵（OAI）的双层钝化策略，该策略同步抑制非辐射复合并提升环境稳定性。具体而言，钙钛矿表面依次采用PEAI和OAI进行后处理，以减少界面处的复合损失并增强电荷提取。PEAI分子通过与表面未配位的Pb2+离子结合，有效减少深能级缺陷，从而钝化缺陷并抑制非辐射复合；OAI分子的长烷基链吸附在钙钛矿表面，形成致密的疏水层，抑制水分渗透，同时保持高效的电荷传输。最终，器件实现了24.48%的光电转换效率。该研究提出了一种更简单高效的双层钝化策略，为反式钙钛矿器件的工业化制备提供了新的参考。
该文章以题为“Bilayer interfacial engineering with PEAI/OAI for synergistic defect passivation in high-performance perovskite solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Bilayer interfacial engineering with PEAI/OAI for synergistic defect passivation in high-performance perovskite solar cells
Chentai Cao, Yuli Tao, Quan Yang, Hai Yu, Yonggang Chen, Qiangqiang Meng, Jiajiu Ye, Xu Pan
J. Semicond. 2025, 46(5), 052805 doi: 10.1088/1674-4926/25030046
研究热点
10 强强联手：钙钛矿/晶硅叠层太阳电池
太阳能作为破解全球能源困局的核心可再生能源，在"双碳"战略驱动下催生光伏产业巨变。尽管晶硅太阳电池凭借产业化优势实现成本大幅下探，但其效率已逼近肖克利-奎塞尔（S−Q）理论极限。反观钙钛矿太阳电池（PSCs），凭借低温溶液制程与卷对卷印刷兼容性，展现出颠覆性降本潜力。单结器件认证效率突破26%，接近单结电池极限效率。然而，钙钛矿材料本征的离子迁移与相分离缺陷，导致钙钛矿太阳电池的稳定性和效率仍不及传统晶硅太阳电池。为同时突破效率极限与稳定性瓶颈，钙钛矿/晶硅叠层电池（PSTSCs）应运而生，开启"1+1>2"的光伏新纪元。
近日，四川大学赵德威教授团队在Journal of Semiconductors期刊发表评述文章，系统解构钙钛矿/晶硅叠层电池十年发展路径。首先，该工作总结了钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的发展历程，并重点介绍了具有里程碑意义的研究。随后，重点讨论了如何在微米级金字塔硅衬底上实现钙钛矿薄膜的保形生长，破解传统工艺的覆盖率不足难题。最后介绍了自组装单分子层材料在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池中的应用。
近十年，钙钛矿/晶硅叠层电池效率显著提升并超越单结硅电池，其产业化仍面临几大核心挑战：在效率方面，自组装单分子层和互连层优化虽可减少部分光电损失，但在硅表面纹理上均匀且保形制备钙钛矿薄膜尚未根本解决，亟需深化结晶动力学与组分工程研究；在稳定性层面，需通过添加剂工程和界面改性抑制宽带隙钙钛矿的相分离及离子迁移，以满足25年商用寿命要求；规模化生产需重点突破真空沉积技术，实现高均匀性钙钛矿层的可控制备；同时必须严谨应对铅毒性问题，通过组分调控减少铅含量或开发原位铅固定策略。未来需持续攻关上述技术瓶颈，推动钙钛矿/晶硅叠层电池在光伏建筑、交通运输、医疗电子及航天设备等领域的实用化进程。我们相信系统性解决这些挑战将有助于钙钛矿/晶硅叠层电池在下一代光伏技术中的主导地位，因此叠层技术将引领光伏技术的发展。
该文章以题为“Stronger together: perovskite/silicon tandem solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Stronger together: perovskite/silicon tandem solar cells
Shenghan Wu, Shengqiang Ren, Cong Chen, Dewei Zhao
J. Semicond. 2025, 46(5): 050201 doi: 10.1088/1674-4926/24110025
11 钙钛矿太阳能电池中阳离子不均匀性的调控策略
A位阳离子对有机-无机卤化铅钙钛矿的光电和物理化学性质影响显著，混合阳离子钙钛矿（MCPs）因其结构稳定、性能优越等特性被广泛应用为高效钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光吸收材料，相应PSCs的功率转换效率（PCE）已超过26%。但无论是2D还是3D的MCPs都普遍存在元素和相分离并进一步影响其材料及器件稳定性的现象。因此，了解MCPs中不均匀性和相分离的根本原因，并进行有效的纳米尺度调控，对提高PSCs的性能至关重要，而开发具有高度均匀阳离子分布和稳定相的高质量MCPs是应对PSCs稳定性挑战的关键。
鉴于此，昆明理工大学晒旭霞、陈江照团队对PSCs中MCPs所存在的阳离子不均匀性及相偏析的产生机制及其对应的调控策略进行了高度总结，归纳了阳离子不均匀的主要诱因为：结晶动力学失衡（如胶体前驱体内的非均匀成核）、不恰当的制备工艺（如出现温度梯度效应）、以及运行条件下的光/热诱导离子迁移等。由于相偏析的类型和分布取决于钙钛矿层的组成和制备工艺，因此可基于溶质和溶剂工程、配位工程和离子迁移调节等策略从薄膜工艺优化、外部应力缓解和结晶动力学调控等方面实现延缓结晶、缓解应变、抑制离子迁移等效果。
文中指出尽管多功能分子在调控MCPs薄膜阳离子均匀性方面成效显著，但大多数方案均基于试错策略去寻找合适的能够对MCPs进行优化的分子材料，鲜有根据阳离子分布均一性为目标导向去设计优化分子材料。因此，如何进行添加剂分子优化，构建实现MCPs阳离子均匀分布的普适性设计策略，探寻添加剂分子对MCPs薄膜均匀化及其PSCs稳定性增强的普适机理是追求高效稳定PSCs并促进其走向最终商业化的必要条件。本文为钙钛矿光伏领域的科研人员和技术开发者提供了重要参考，助力解决PSCs的稳定性瓶颈问题，加速其在清洁能源技术中的应用。
图1. (a) 混合阳离子钙钛矿在结晶和运行过程中由于不同因素所导致的阳离子偏析现象；(b) 阳离子偏析机制和缓解策略的示意图。
该文章以题为“Manipulation strategy of cation inhomogeneity in perovskite solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Manipulation strategy of cation inhomogeneity in perovskite solar cells
Jiale Sun, Xuxia Shai, Weitao Chen, Shenchao Li, Jinlan He, Xinxing Liu, Dongmei He, Yue Yu, Jiangzhao Chen
J. Semicond. 2025, 46(5): 050202 doi: 10.1088/1674-4926/25030012
专家视点
12 有机半导体和钙钛矿半导体光伏电池的界面电子结构
有机半导体光伏电池（OSCs）和钙钛矿半导体光伏电池（PSCs）具有诸多优势，例如可低温溶液加工、柔性和半透明性等，同时它们的器件结构相似，均由夹在阳极和阴极之间的光活性层（PAL）构成。在OSCs和PSCs中，阳极和阴极通常由电荷传输层（CTL）和金属导体组成，而其与光活性层的界面对器件性能具有显著影响。
近日，华东师范大学保秦烨教授课题组探讨了有机和钙钛矿这两种半导体光伏电池的界面电子结构对器件性能的影响。文章强调了钙钛矿半导体表面电子结构对基底电极的依赖性。研究发现，钙钛矿表面的功函数随着基底电极功函数的增加而增大，钙钛矿半导体表面经历从n型到p型特性的转变。这种依赖性导致钙钛矿半导体表面和顶部CTL之间的能量不一致或相反，限制了载流子提取效能，并增加了界面电子-空穴复合的概率，从而抑制器件效率。针对该问题，文章提出几种有效的钙钛矿表界面能量学调控策略，特别是构筑钙钛矿p-n/n-p同质结、3D/2D异质结等，以获得钙钛矿半导体的热力学势能。
对于OSCs，其界面电子结构同等重要，同样要求促进多数载流子的无障碍电荷提取，同时阻止少数载流子和激子到达外部金属电极。相较于钙钛矿半导体PAL，有机半导体PAL的表面受电荷捕获和激子猝灭缺陷的影响较小，但CTL必须与PAL化学兼容，同时避免PAL与外部金属电极接触，防止不良化学相互作用并降低电荷载体（和激子）与金属触点镜像电荷之间的静电耦合。此外，CTL应具有足够的导电性，以促进在与涂层/印刷兼容的CTL厚度下进行有效的电荷传输，或者能够自组装成足够薄的层，从而能够有效地从PAL隧穿到金属电极中。
深入理解有机和钙钛矿半导体光伏电池的界面能量学，为高性能的界面设计提供指导，对推动有机和钙钛矿半导体器件技术的发展具有重要作用。
图1. 钙钛矿太阳能电池的界面能级。（a）器件结构示意图；（b）电极依赖性钙钛矿表面能级演变；（c）p-i-n/n-i-p型器件中钙钛矿p-n/n-p同质结策略。
图2. 有机太阳能电池的界面能级。（a）采用逐层（LbL）或本体异质结（BHJ）型光活性层（PAL）的器件结构；（b）电子传输层（ETL）与空穴传输层（HTL）分别通过功函数下移和上移，实现与光活性层多数载流子准费米能级对齐。
该文章以题为“Interface energetics in organic and perovskite semiconductor solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Interface energetics in organic and perovskite semiconductor solar cells
Shaobing Xiong, Mats Fahlman, Qinye Bao
J. Semicond. 2025, 46(5): 050301 doi: 10.1088/1674-4926/25010021
https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1492034.html
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